内存碎片及伙伴算法

今天学习到 Linux 内存分配问题，有些不明白，什么是内存碎片问题？以及为什么maloc（）等函数每次分配内存后都会用 free（）释放资源，为什么还会产生碎片问题？内存碎片问题如何产生 及 如何解决呢？
以下是自己今天学习心得：
内存碎片概念：
内存碎片问题分为内部碎片和外部碎片两种。
   1.内部碎片是由于采用固定大小的内存分区，当一个进程不能完全使用分给它的固定内存区域时，就将该进程分配后剩余的部分称为内碎片。通常内碎片难以避免；
   2.外部碎片是由于某些未分配的连续区域太小，不足以为任意进程分配内存资源的内存块大小，此时称这些不可用的内存块大小为外部碎片


对于malloc（）等函数，每次申请完内存后都会释放，但每次释放的内存大小及释放时间的不同就会产生内存碎片。比如：在内存单元100的起始地址到内存单元200之间，共申请了100个1字节的空间。在free（）时，释放了内存地址为奇数的内存单元（如101,103,105……）而偶数单元不释放，释放了50个1字节空间，虽然总空间数为50字节，但由于这50个1字节空间不连续。当下次要申请2字节的内存单元时，却无法在100到200的内存地址单元中申请到空间，于是就产生内存碎片问题。


为什么会产生内存碎片？
对于内存的分配方法有：连续地址分配、分页机制和分段机制以及段页式（网上有很多关于内存地址分配的文章，都很不错，可以了解一下）
连续地址分配：固定分区分配会产生内碎片问题，动态分区分配会产生外碎片问题

分页机制：相比较固定分配分区，内碎片问题已经明显减少

分段机制：消除内碎片问题，但会产生外碎片问题

伙伴算法可以解决外碎片问题，其算法思想如下：

无论已经分配的分区还是空闲分区，其大小均为2的k次幂，k为整数，1<=k<=m，其中2^1表示分配的最小分区大小，2^m 表示分配的最大分区的大小。在系统开始运行时，整个内存区是一个大小为2^m的空闲分区，随着系统运行，空闲区的不断划分会形成若干不连续的空闲分区，将这些空闲分区按照分区的大小进行分类，对于每一类具有相同大小的所有空闲分区，单独成立一个空闲分区双向链表。这样，不同大小的空闲分区就形成了k（0<=k<=m）个空闲分区链表。

当需要为进程分配一个长度为n 的存储空间时，首先计算i 的值，使2^（i-1）< n < 2^ i ，然后在空闲分区大小为i 的空闲区链表中查找。若找到，则把该空闲分区分配给该进程。否则，表明长度为2^ i 的空闲分区已经耗尽，则在长度为2^（i+1）的空闲分区链表中查找。若存在大小为2^（i+1）的空闲分区，则将该分区分为连个大小均为2^ i 的块，一个块分配给该进程，一个块挂载在长度大小为2^ i 的空闲分区链表中。若大小为2^（i+1）的空闲分区也已经耗尽，则寻找大小为2^（i+2）的空闲分区，若找到，则对该分区进行两次划分，第一次划分，将大小为2^（i+2）的分区分为两个大小为2^（i+1）的空闲分区，一个挂载在大小为2^（i+1）的空闲分区上，一个再次分割为两个大小为2^ i 的分区，一个挂载在大小为2^ i 的空闲分区上，一个用于分配给该进程；如果未找到大小为2^ ( i+2 ) 的空闲分区，则在2^( i+3) 的空闲分区上寻找，一次重复以上步骤，指导找到空闲区

在Linux中将这内存分为10个空闲分区链表，0-9，大小范围是：2^0 - 2^9

以上过程的逆过程就是伙伴算法的释放过程，释放过程需要满足两个条件：1.两个块具有相同的大小  2.它们的物理地址是连续的

也正是基于以上两个条件才称该算法为伙伴算法

Linux伙伴算法中涉及到的数据结构：

free_area_t    free_area[MAX_ORDER];

我们再次对free_area_t  给予较详细的描述。

#difine   MAX_ORDER  10

type struct free_area_struct {

           struct list_head   free_list

                 unsigned  int    *map

 } free_area_t

 其中list_head域是一个通用的双向链表结构，链表中元素的类型将为mem_map_t(即struct page结构)。Map域指向一个位图，其大小取决于现有的页面数。free_area第k项位图的每一位，描述的就是大小为2^k个页面的两个伙伴块的状态。如果位图的某位为0，表示一对兄弟块中或者两个都空闲，或者两个都被分配，如果为1，肯定有一块已被分配。当兄弟块都空闲时，内核把它们当作一个大小为2^k+1的单独快来处理