伙伴算法

伙伴算法

1、原理

      Linux的伙伴算法把所有的空闲页面分为11个块组，每组中块的大小是2的幂次方个页面，例如，第0组中块的大小都为2⁰ （1个页面），第1组中块的大小为都为2¹（2个页面），第10组中块的大小都为2¹⁰（1024个页面）。也就是说，每一组中块的大小是相同的，且这同样大小的块形成一个链表。对第10组块的最大请求对应着4M(每个页面的大小为4K)大小的连续RAM。每个块的第一个页框的物理地址是该块大小的整数倍。例如，大小为16 个页框的块，其起始地址是16 × 2¹²（2¹² ＝ 4096，这是一个常规页的大小）的倍数。

我们通过一个简单的例子来说明该算法的工作原理。

   假设要求分配的块其大小为128个页面（由多个页面组成的块我们就叫做页面块）。该算法先在块大小为128个页面的链表中查找，看是否有这样一个空闲块。如果有，就直接分配；如果没有，该算法会查找下一个更大的块，具体地说，就是在块大小为256个页面的链表中查找一个空闲块。如果存在这样的空闲块，内核就把这256个页面分为两等份，一份分配出去，另一份插入到块大小为128个页面的链表中。如果在块大小为256个页面的链表中也没有找到空闲页块，就继续找更大的块，即512个页面的块。如果存在这样的块，内核就从512个页面的块中分出128个页面满足请求，然后从384个页面中取出256个页面插入到块大小为256个页面的链表中。然后把剩余的128个页面插入到块大小为128个页面的链表中。如果512个页面的链表中还没有空闲块，该算法就放弃分配，并发出出错信号。

2 、Buddy（伙伴的定义）：

这里给出伙伴的概念，满足以下三个条件的称为伙伴：

1）两个块大小相同；

2）两个块地址连续；

3）两个块必须是同一个大块中分离出来的；第0块和第1块是伙伴，第2块和第3块是伙伴，但是第1块和第2块不是伙伴）

内存分配：

数据结构

struct free_area

 {

Struct  list_head, free_list;

unsigned long nr_free;

};

可以看出free_area结构体仅仅包含了一个双向链表，指向了空闲块的前后页，还有一个里面的free的页数。

举个例子：在分配4（2^2）页的时候，系统会先从free_area[2]中查看其成员nr_free是否空，如果空则从中分配，如果free_area[2]中没有空的，就从它的上一级free_area[3]中分配，并将多余的内存块加入到free_area[2]中。如果free_area[3]的nr_free也没有空闲，则从更上一级，以此类推直至free_area[max_order]，如果顶级都没有空间，就报告分配失败。

内存释放

内存的释放是分配的逆过程，也可以看做是伙伴的合并。当释放一个块时，先在其对应的free_area链表中查找是否有伙伴存在，如果没有伙伴块，直接将要释放的块插入链表头；如果有，则将其从链表下摘下，合并成一个大块，然后继续查找在合并后的块在更大一级链表中是否有伙伴存在，直至不能合并或者已经合并至最大的块2^10为止。

伙伴算法的不足：

a。合并的要求太过严格：只能是满足伙伴关系的块。比如第1,2块就不能合并。

b。碎片问题：如何内存管理的算法都存在这个问题，一个连续的内存中仅仅一个页面被占用，导致这整个内存区都不具备合并的条件。

c。算法中的浪费现象：伙伴算法是按2的幂次方分配内存区的，当需要257（2^8+1）个页面时，不得不申请2^9的页面。于是就有255个页面被浪费掉了。

d。算法的效率问题：伙伴算法涉及了比较多的计算还有链表和位图的操作，开销还是比较大的，如果每次2^n大小的伙伴块就会合并到2^(n+1)的链表队列中，那么2^n大小链表中的块就会因为合并操作而减少，但系统随后立即有可能又有对该大小块的需求，为此必须再从2^(n+1)大小的链表中拆分，这样的合并又立即拆分的过程是无效率的。

伙伴位图:

伙伴算法通过位图进行操作，用一位描述相邻的两块（第0块和第1块是伙伴，第2块和第3块是伙伴，但是第1块和第2块不是伙伴）的状态。这个位码叫伙伴位码。

为0的时候：说明这两块都为空闲

为1的时候：说明这两块有一块是忙.

如果对相应位的异或操作得1，则没有伙伴可以合并，如果异或操作得0，就进行合并，并且继续按这种方式合并伙伴，直到不能合并为止。