伙伴系统分析

最新推荐文章于 2025-06-16 10:26:38 发布

原创

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CC 4.0 BY-SA版权

本文介绍了伙伴系统在Android4.1、Kernel 3.4.0环境下的内存管理，包括基本概念、初始化、内存分配和释放流程。在内存分配中，详细阐述了快速分配和慢速分配的过程，而内存释放则涉及单页和多页的处理方式。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

chipset: MSM8X25Q

Codebase: Android4.1

Kernel: 3.4.0

基本概念：

关于伙伴系统算法的原理还是比较好理解的，这里不作复数。直接看下关键数据结构。

struct zone {
~~snip
         struct free_area   free_area[MAX_ORDER];        //每一阶以一个元素保存，平台最大11阶。
~~snip
};

可以看到每个zone都有它自己的free_area，效果如下图：

相关信息可以从/proc/buddyinfo读取到，各个值含义依次为节点号， zone类型，后面的值表示从0阶开始各个阶空闲的页数：

#cat/proc/buddyinfo
Node0, zone   Normal     70    27
     33   148     47     13     7      2
  2     1      1
Node0, zone  HighMem      0     1      1      2     2      0      0     0
  0     0      0

struct free_area {
	/*同样阶数保存到一个链表上 */
	struct list_head	free_list[MIGRATE_TYPES];
	/*当前空闲页块的数目。*/
	unsigned long		nr_free;
};

效果如下图：

MIGRATE_TYPES是作为反碎片的一种机制，专有名叫迁移类型。大概的原理就是将伙伴系统的内存页分为几种类型，有可移动，不可移动，可回收等，同一类型的页放在一个区域，如不可回收的页不能放在可移动类型区域，这样对可以移动区域，伙伴系统就可以回收了。

enum {
	MIGRATE_UNMOVABLE,
	MIGRATE_RECLAIMABLE,
	MIGRATE_MOVABLE,
	MIGRATE_PCPTYPES,	/* the number of types on the pcp lists */
	MIGRATE_RESERVE = MIGRATE_PCPTYPES,
#ifdef CONFIG_CMA
	MIGRATE_CMA,
#endif
	MIGRATE_ISOLATE,	/* can't allocate from here */
	MIGRATE_TYPES
};

MIGRATE_UNMOVABLE：不可移动页，在内存中有固定位置，不能移动。核心内核分配的大部分内存属于此类。

MIGRATE_RECLAIMABLE：可回收页，不能移动，但能删除。Kswapd内核线程会操作次区域。

MIGRATE_MOVABLE：可移动又可回收页，用户空间程序使用此类，通过页表映射实现，如果应用程序虚拟地址空间有变化，只要变化页表就可以了。

MIGRATE_RESERVE：当系统内存相当少而且比较紧急时，才用到此区域。

MIGRATE_CMA：这个是为了避免预留大块内存实现的，当需要大块内存的时候如audio/camera等，它可以被使用;当小内存申请需要时，它也可以被使用，避免了pmem/ion的弊端，不过似乎要基于DMA。后面打算用一篇文章来分析cma.

MIGRATE_ISOLATE: NUMA系统上使用，我们用UMA，不管它。

当某个迁移类型的内存不足时，会向另外一个迁移类型去要内存。这个跟zone的申请机制很像！下面结构规定了当前迁移类型不够时下一个使用的类型，如MIGRATE_UNMOVABLE的使用顺序是： MIGRATE_RECLAIMABLE -> MIGRATE_RECLAIMABLE -> MIGRATE_MOVABLE -> MIGRATE_RESERVE.

static int fallbacks[MIGRATE_TYPES][4] = {
	[MIGRATE_UNMOVABLE]   = { MIGRATE_RECLAIMABLE, MIGRATE_MOVABLE,     MIGRATE_RESERVE },
	[MIGRATE_RECLAIMABLE] = { MIGRATE_UNMOVABLE,   MIGRATE_MOVABLE,     MIGRATE_RESERVE },
#ifdef CONFIG_CMA
	[MIGRATE_MOVABLE]     = { MIGRATE_CMA,         MIGRATE_RECLAIMABLE, MIGRATE_UNMOVABLE, MIGRATE_RESERVE },
	[MIGRATE_CMA]         = { MIGRATE_RESERVE }, /* Never used */
#else
	[MIGRATE_MOVABLE]     = { MIGRATE_RECLAIMABLE, MIGRATE_UNMOVABLE,   MIGRATE_RESERVE },
#endif
	[MIGRATE_RESERVE]     = { MIGRATE_RESERVE }, /* Never used */
	[MIGRATE_ISOLATE]     = { MIGRATE_RESERVE }, /* Never used */
};

迁移类型的信息可以从/proc/pagetypeinfo读到：

#cat /proc/pagetypeinfo
Page block order: 10
Pages per block:  1024

Free pages count per migrate type at order       0      1      2      3      4
    5      6      7      8      9     10
Node    0, zone   Normal, type    Unmovable      1      1      2      0      1
    0      1      1      1      0      0
Node    0, zone   Normal, type    Reclaimable      8     18      3      0      0
    0      0      0      0      0      0
Node    0, zone   Normal, type      Movable      1      1      0    115     46
   12      5      0      0      0      0
Node    0, zone   Normal, type      Reserve      0      0      0      1      0
    1      1      1      1      1      1
Node    0, zone   Normal, type      Isolate      0      0      0      0      0
    0      0      0      0      0      0
Node    0, zone  HighMem, type    Unmovable      0      0      0      0      0
    0      0      0      0      0      0
Node    0, zone  HighMem, type  Reclaimable      0      0      0      0      0
    0      0      0      0      0      0
Node    0, zone  HighMem, type      Movable      0      1      0      0      0
    0      0      0      0      0      0
Node    0, zone  HighMem, type      Reserve      0      0      1      2      2
    0      0      0      0      0      0
Node    0, zone  HighMem, type      Isolate      0      0      0      0      0
    0      0      0      0      0      0

Number of blocks type     Unmovable  Reclaimable      Movable      Reserve
Isolate
Node 0, zone   Normal           13            8          178            2
     0
Node 0, zone  HighMem            1            0           14            1
     0

初始化：

首先对伙伴系统相关数据结构初始化，有如下调用流程：

start_kernel -> setup_arch ->paging_init -> bootmem_init -> arm_bootmem_free ->

free_area_init_node ->init_currently_empty_zone -> zone_init_free_lists

static void __meminit zone_init_free_lists(struct zone *zone)
{
	int order, t;
	/

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