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内存分配[二] - Buddy系统的原理

内存分配[二] - Buddy系统的原理

内存分配的实现[一] - 空闲链表和内存池

Buddy系统

上文介绍了内存池,它的分配快速,但这种“事先就划分好”的方法对系统的适应性较差,不同「尺寸」的内存池之间不能“互通有无”。而buddy分配系统在普通内存池的基础上,允许两个大小相同且相邻的内存块合并,合并之后的内存块的「尺寸」增大,因而将被移动到另一个内存池的free list上。

来看下面这个例子,内存共有1024字节,由32, 64, 128, 256, 512字节为「尺寸」的5个free list组织起来,最小分配单位为32字节(对应位图中的1个bit)。假设现在0到448字节的内存已使用,448到1024字节的内存为空闲(字母编号从A开始,表示分配顺序)。

现在我们要申请128字节的内存,那么首先应该查看「尺寸」为128字节的free list,但很可惜没有,那再看看256字节的free list,还是没有,只能再往上找,到512字节的free list这儿,终于有了一个空闲的内存块A'。

那么将A'划分为256字节的E和E',再将内存块E划分成128字节的F和F',内存块F即是我们需要的内存。之后,在此过程中产生的E'和F'将分别被挂接到「尺寸」为256字节和128字节的free list上,位图中bits的值也会相应变化。

接下来释放128字节的内存块C,由于C相邻的两个内存块都不是空闲状态,因此不能合并,之后C也将被挂接到「尺寸」为128字节的free list上。

然后释放64字节的内存块D,分配器根据位图可知,右侧的D'也是空闲的,且D和D'的大小相同,因此D和D'将合并。按理合并后的空闲内存块C'为128字节,应该被添加到「尺寸」为128字节的free list上,但因为左侧的C也是空闲的,且C和C'的大小相同,因此C和C'还将合并形成B',合并后的空闲内存块将被挂接到「尺寸」为256字节的free list上。

在buddy分配系统中,从物理上,内存块按地址从小到大排列;从逻辑上,内存块通过free list组织。通过对相邻内存块的合并,增加了内存使用的灵活性,减少了内存碎片。

但是实现合并有一个前提,就是内存块的尺寸必须是2的幂次方(称为"order"),这也是buddy系统划分内存块的依据。此外,每次内存释放都要查找左右的buddy是否可以合并,还可能需要在free list之间移动,也是一笔不小的开销。

下文将基于Linux内核,介绍buddy内存分配器在一个操作系统中的具体实现。


参考:

en.wikipedia.org/wiki/B

《深入理解UNIX系统内核》第12.6节


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发布于 04-15

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