Linux内存分配与回收—

简介

背景

内存管理机制

当前存在的问题

伙伴算法

算法原理

内存分配

内存回收

优缺点分析

参考

简介

在Linux系统中，内存的分配与回收速率直接影响系统的存取效率。当内核频繁请求和释放不同大小的一组连续页框时，会导致许多外部空闲碎片，造成空间的浪费。使用伙伴算法可以有效地缓解该问题。伙伴关系机制是操作系统中的一种动态存储管理算法。在进行内存分配时，该算法通过不断平分较大的空闲内存块来获得较小的空闲内存块，直到获得所需要的内存块；在进行内存回收时，该算法尽可能地合并空闲块。

背景

内存管理机制

内存管理是应用程序通过硬件和软件协作访问内存的一种方法，当进程请求内存使用时，它给进程分配可用的内存；当进程释放内存时，回收相应的内存，同时负责跟踪系统中内存的使用状态。

在Linux系统中，首先将内存分为若干个节点，然后每个节点又可以分为1-3个区，每个区下又有若干个页。页是内存管理的基本单元。

当前存在的问题

当系统工作时，CPU最先访问的地址不是物理内存中的实地址，而是虚拟地址空间的虚地址。当请求分页时，首先在虚拟地址空间中分配一个虚拟空间，然后根据需要为此区间分配相应的物理页面并建立映射。

在分配空间时，我们首先想到的便是malloc函数。由于在实际情况中，操作系统必须能够在任意时刻申请和释放任意大小的内存，该函数的实现并不容易，导致的主要问题有延时问题和碎片问题。

延时问题指的是系统查找到可分配单元的时间变长，例如程序请求分配一个64KB的内存空间，系统查看64KB空间发现不全是空余的，于是查看65KB的空间，发现仍不能满足需求，直到查看80KB空间时，才满足了需求，这种方式请求次数多达17次，频繁操作时，非常耗时。

若系统以较大的定长空间来分配内存，在一定程度上可以节省时间，但带来的是碎片过多问题，由于每次用较大的空间进行分配，系统中出现大量碎片，导致内存浪费。严重者会导致内存无法完成分配，虽然仍有许多碎片空间。

基于此，系统需要一种能够高效分配内存，同时又能减少产生碎片的算法，伙伴算法能有效地解决该问题，如今已成为操作系统中的一种基础算法。

伙伴算法

算法原理

伙伴算法是一种动态存储器管理算法。该算法通过不断地平分较大的空闲内存块来获得较小的空闲内存块，直到获得所需要的内存块，当内存释放时，该算法尽可能地合并空闲块。其中，在分配和合并内存块时都是以2的次幂为单位，即1,2,4,8,16,32,64,128等。所谓“伙伴”，就是指在空闲块被分裂时，由同一个大块内存分裂出来的两个小块内存就互称“伙伴”。“伙伴”应当满足以下三个条件：

两个块大小相同
两个块地址连续
两个块必须是同一个大块中分离出来的

伙伴算法使用位图和空闲链表作为辅助工具，其中位图用于跟踪内存块的使用情况，空闲链表用来维护内存中还没有被分配的块。假设系统的全部可用空间为 $2^{max}$ ,则建立一个长度为max+1的链表，链表尾存放大小为 $2^{max}$ 的块，如下图所示：

当请求大小为size的空间时, $2^{k-1}$ < size < $2^k$ ，且k < max。于是系统在链表中寻找大小为 $2^k$ 的块，发现该位置为空，于是继续向下搜寻大小为 $2^{k+1}$ 的块，若还为空，则继续向下搜寻，直到找到不为空的块 $2^{max}$ 。

该块不为空，于是该块进行分裂，变为两个大小为 $2^{max-1}$ 的块。其中一块插入到链表中 $2^{max-1}$ 的位置，另一块继续分裂。重复此过程，直到分裂产生大小为 $2^{k}$ 大小的块为止，结果如图所示：

如图所示，最后一次分裂时，由一个大小为 $2^{k+1}$ 的块分成两个大小均为 $2^k$ 大小的块。将其中一块交给用户使用，另一块加入到空闲链表相应位置中。

由于进行了多次分裂，链表的同一位置可能会出现多个大小相等的块，此时选用时只需要在表头选取一个即可。当进行合并操作时，只需将大小相等的块合并，然后插入到链表中相应位置即可。

以下用具体实例说明伙伴算法在内存分配与回收中的应用。

内存分配

下面通过一个例子说明内存分配的过程：

现内存总容量为16KB，用户请求分配4KB大小的内存空间，且规定最小的内存分配单元是2KB。于是位图分为8个区域，用1表示已分配，用0表示未分配，则初始位图和空闲链表如图所示。从上到下依次是位图、内存块、空闲链表。

由于需要分配4KB内存，数显到链表中4KB位置进行查看，发现为空，于是继续向后查找8KB位置，发现仍为空，直到到达链表尾16KB位置不为空。16KB块分裂成两个8KB的块，其中一块插入到链表相应位置，另一块继续分裂成两个4KB的块，其中一个交付使用，另一个插入到链表中，结果如下图所示。

内存回收

内存回收是内存分配的逆过程，假设以上存储要释放4KB内存，首先到链表中4KB位置查看是否有它的“伙伴”，发现该位置不为空，于是合并成一个8KB的块，继续寻找它的“伙伴”，然后合并成一个16KB的块，插入链表中。

若在查找过程中没有发现“伙伴”，则直接插入到链表中，然后将位图中的标记清零，表示内存可用。

优缺点分析

伙伴算法采用2的幂次方进行分配内存块，可以避免把大的内存块拆分的过小，更重要的是可以加快分配和释放速度，但如果所需要的空间不是2的整数次幂，则会产生许多内部碎片。
分配和合并采用链表和位图操作，操作方便，但是开销比较大。
一个很小的块往往会阻碍一个大块的合并，一个系统中，对内存块的分配，大小是随机的，一片内存中仅一个小的内存块没有释放，旁边两个大的内存块就不能合并。

参考

《Linux操作系统原理与应用》
《深入理解Linux内核》
https://blog.csdn.net/lcl497049972/article/details/82954124
https://www.cnblogs.com/alantu2018/p/8527821.html