伙伴系统和slab机制

伙伴系统

Linux内核中采用了一种同时适用于32位和64位系统的内存分页模型，对于32位系统来讲，两级页表足够用了，而在x86_64系统中，用到了四级页表。四级页表分别为：

• 页全局目录(Page Global Directory)
• 页上级目录(Page Upper Directory)
• 页中间目录(Page Middle Directory)
• 页表(Page Table)

页全局目录包含若干页上级目录的地址，页上级目录又依次包含若干页中间目录的地址，而页中间目录又包含若干页表的地址，每个页表项指向一个页框。Linux中采用4KB大小的页框做为标准的内存分配单元。

在实际应用中，常常须要分配一组连续的页框，而频繁地申请和释放不一样大小的连续页框，必然致使在已分配页框的内存块中分散了许多小块的空闲页框。这样，即便这些页框是空闲的，其余须要分配连续页框的应用也很可贵到知足。

 为了不出现这种状况，Linux内核中引入了伙伴系统算法(buddy system)。把全部的空闲页框分组为11个块链表，每一个块链表分别包含大小为1，2，4，8，16，32，64，128，256，512和1024个连续页框的页框块。最大能够申请1024个连续页框，对应4MB大小的连续内存。每一个页框块的第一个页框的物理地址是该块大小的整数倍。

 假设要申请一个256个页框的块，先从256个页框的链表中查找空闲块，若是没有，就去512个页框的链表中找，找到了则将页框块分为2个256个页框的块，一个分配给应用，另一个移到256个页框的链表中。若是512个页框的链表中仍没有空闲块，继续向1024个页框的链表查找，若是仍然没有，则返回错误。

页框块在释放时，会主动将两个连续的页框块合并为一个较大的页框块。

Buddy算法的优缺点：

1）尽管伙伴内存算法在内存碎片问题上已经作的至关出色，可是该算法中，一个很小的块每每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，旁边两个大的就不能合并。

2）算法中有必定的浪费现象，伙伴算法是按2的幂次方大小进行分配内存块，固然这样作是有缘由的，即为了不把大的内存块拆的太碎，更重要的是使分配和释放过程迅速。可是他也带来了不利的一面，若是所需内存大小不是2的幂次方，就会有部分页面浪费。有时还很严重。好比原来是1024个块，申请了16个块，再申请600个块就申请不到了，由于已经被分割了。

3）另外拆分和合并涉及到 较多的链表和位图操做，开销仍是比较大的。

Buddy（伙伴的定义）：

这里给出伙伴的概念，知足如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；

Buddy算法的分配原理：

假如系统须要4(22)个页面大小的内存块，该算法就到free_area[2]中查找，若是链表中有空闲块，就直接从中摘下并分配出去。若是没有，算法将顺着数组向上查找free_area[3],若是free_area[3]中有空闲块，则将其从链表中摘下，分红等大小的两部分，前四个页面做为一个块插入free_area[2]，后4个页面分配出去，free_area[3]中也没有，就再向上查找，若是free_area[4]中有，就将这16(2222)个页面等分红两份，前一半挂如free_area[3]的链表头部，后一半的8个页等分红两等分，前一半挂free_area[2]的链表中，后一半分配出去。假如free_area[4]也没有，则重复上面的过程，知道到达free_area数组的最后，若是尚未则放弃分配。

Buddy算法的释放原理：

内存的释放是分配的逆过程，也能够看做是伙伴的合并过程。当释放一个块时，先在其对应的链表中考查是否有伙伴存在，若是没有伙伴块，就直接把要释放的块挂入链表头；若是有，则从链表中摘下伙伴，合并成一个大块，而后继续考察合并后的块在更大一级链表中是否有伙伴存在，直到不能合并或者已经合并到了最大的块(222222222个页面)。

slab机制

slab是Linux操做系统的一种内存分配机制。其工做是针对一些常常分配并释放的对象，如进程描述符等，这些对象的大小通常比较小，若是直接采用伙伴系统来进行分配和释放，不只会形成大量的内碎片，并且处理速度也太慢。而slab分配器是基于对象进行管理的，相同类型的对象归为一类(如进程描述符就是一类)，每当要申请这样一个对象，slab分配器就从一个slab列表中分配一个这样大小的单元出去，而当要释放时，将其从新保存在该列表中，而不是直接返回给伙伴系统，从而避免这些内碎片。slab分配器并不丢弃已分配的对象，而是释放并把它们保存在内存中。当之后又要请求新的对象时，就能够从内存直接获取而不用重复初始化。 

Linux 的slab 可有三种状态：

• 满的：slab 中的全部对象被标记为使用。
• 空的：slab 中的全部对象被标记为空闲。
• 部分：slab 中的对象有的被标记为使用，有的被标记为空闲。

slab 分配器首先从部分空闲的slab 进行分配。如没有，则从空的slab 进行分配。如没有，则从物理连续页上分配新的slab，并把它赋给一个cache ，而后再重新slab 分配空间。

与传统的内存管理模式相比， slab 缓存分配器提供了不少优势。

一、内核一般依赖于对小对象的分配，它们会在系统生命周期内进行无数次分配。

二、slab 缓存分配器经过对相似大小的对象进行缓存而提供这种功能，从而避免了常见的碎片问题。

三、slab 分配器还支持通用对象的初始化，从而避免了为同一目的而对一个对象重复进行初始化。

四、slab 分配器还能够支持硬件缓存对齐和着色，这容许不一样缓存中的对象占用相同的缓存行，从而提升缓存的利用率并得到更好的性能。