夥伴系統和slab機制

夥伴系統

Linux內核中採用了一種同時適用於32位和64位系統的內存分頁模型，對於32位系統來講，兩級頁表足夠用了，而在x86_64系統中，用到了四級頁表。四級頁表分別爲：

• 頁全局目錄(Page Global Directory)
• 頁上級目錄(Page Upper Directory)
• 頁中間目錄(Page Middle Directory)
• 頁表(Page Table)

頁全局目錄包含若干頁上級目錄的地址，頁上級目錄又依次包含若干頁中間目錄的地址，而頁中間目錄又包含若干頁表的地址，每個頁表項指向一個頁框。Linux中採用4KB大小的頁框做爲標準的內存分配單元。

在實際應用中，常常須要分配一組連續的頁框，而頻繁地申請和釋放不一樣大小的連續頁框，必然致使在已分配頁框的內存塊中分散了許多小塊的空閒頁框。這樣，即便這些頁框是空閒的，其餘須要分配連續頁框的應用也很可貴到知足。

 爲了不出現這種狀況，Linux內核中引入了夥伴系統算法(buddy system)。把全部的空閒頁框分組爲11個塊鏈表，每一個塊鏈表分別包含大小爲1，2，4，8，16，32，64，128，256，512和1024個連續頁框的頁框塊。最大能夠申請1024個連續頁框，對應4MB大小的連續內存。每一個頁框塊的第一個頁框的物理地址是該塊大小的整數倍。

 假設要申請一個256個頁框的塊，先從256個頁框的鏈表中查找空閒塊，若是沒有，就去512個頁框的鏈表中找，找到了則將頁框塊分爲2個256個頁框的塊，一個分配給應用，另一個移到256個頁框的鏈表中。若是512個頁框的鏈表中仍沒有空閒塊，繼續向1024個頁框的鏈表查找，若是仍然沒有，則返回錯誤。

頁框塊在釋放時，會主動將兩個連續的頁框塊合併爲一個較大的頁框塊。

Buddy算法的優缺點：

1）儘管夥伴內存算法在內存碎片問題上已經作的至關出色，可是該算法中，一個很小的塊每每會阻礙一個大塊的合併，一個系統中，對內存塊的分配，大小是隨機的，一片內存中僅一個小的內存塊沒有釋放，旁邊兩個大的就不能合併。

2）算法中有必定的浪費現象，夥伴算法是按2的冪次方大小進行分配內存塊，固然這樣作是有緣由的，即爲了不把大的內存塊拆的太碎，更重要的是使分配和釋放過程迅速。可是他也帶來了不利的一面，若是所需內存大小不是2的冪次方，就會有部分頁面浪費。有時還很嚴重。好比原來是1024個塊，申請了16個塊，再申請600個塊就申請不到了，由於已經被分割了。

3）另外拆分和合並涉及到 較多的鏈表和位圖操做，開銷仍是比較大的。

Buddy（夥伴的定義）：

這裏給出夥伴的概念，知足如下三個條件的稱爲夥伴：

1）兩個塊大小相同；

2）兩個塊地址連續；

3）兩個塊必須是同一個大塊中分離出來的；

Buddy算法的分配原理：

假如系統須要4(22)個頁面大小的內存塊，該算法就到free_area[2]中查找，若是鏈表中有空閒塊，就直接從中摘下並分配出去。若是沒有，算法將順着數組向上查找free_area[3],若是free_area[3]中有空閒塊，則將其從鏈表中摘下，分紅等大小的兩部分，前四個頁面做爲一個塊插入free_area[2]，後4個頁面分配出去，free_area[3]中也沒有，就再向上查找，若是free_area[4]中有，就將這16(2222)個頁面等分紅兩份，前一半掛如free_area[3]的鏈表頭部，後一半的8個頁等分紅兩等分，前一半掛free_area[2]的鏈表中，後一半分配出去。假如free_area[4]也沒有，則重複上面的過程，知道到達free_area數組的最後，若是尚未則放棄分配。

Buddy算法的釋放原理：

內存的釋放是分配的逆過程，也能夠看做是夥伴的合併過程。當釋放一個塊時，先在其對應的鏈表中考查是否有夥伴存在，若是沒有夥伴塊，就直接把要釋放的塊掛入鏈表頭；若是有，則從鏈表中摘下夥伴，合併成一個大塊，而後繼續考察合併後的塊在更大一級鏈表中是否有夥伴存在，直到不能合併或者已經合併到了最大的塊(222222222個頁面)。

slab機制

slab是Linux操做系統的一種內存分配機制。其工做是針對一些常常分配並釋放的對象，如進程描述符等，這些對象的大小通常比較小，若是直接採用夥伴系統來進行分配和釋放，不只會形成大量的內碎片，並且處理速度也太慢。而slab分配器是基於對象進行管理的，相同類型的對象歸爲一類(如進程描述符就是一類)，每當要申請這樣一個對象，slab分配器就從一個slab列表中分配一個這樣大小的單元出去，而當要釋放時，將其從新保存在該列表中，而不是直接返回給夥伴系統，從而避免這些內碎片。slab分配器並不丟棄已分配的對象，而是釋放並把它們保存在內存中。當之後又要請求新的對象時，就能夠從內存直接獲取而不用重複初始化。 

Linux 的slab 可有三種狀態：

• 滿的：slab 中的全部對象被標記爲使用。
• 空的：slab 中的全部對象被標記爲空閒。
• 部分：slab 中的對象有的被標記爲使用，有的被標記爲空閒。

slab 分配器首先從部分空閒的slab 進行分配。如沒有，則從空的slab 進行分配。如沒有，則從物理連續頁上分配新的slab，並把它賦給一個cache ，而後再重新slab 分配空間。

與傳統的內存管理模式相比， slab 緩存分配器提供了不少優勢。

一、內核一般依賴於對小對象的分配，它們會在系統生命週期內進行無數次分配。

二、slab 緩存分配器經過對相似大小的對象進行緩存而提供這種功能，從而避免了常見的碎片問題。

三、slab 分配器還支持通用對象的初始化，從而避免了爲同一目的而對一個對象重複進行初始化。

四、slab 分配器還能夠支持硬件緩存對齊和着色，這容許不一樣緩存中的對象佔用相同的緩存行，從而提升緩存的利用率並得到更好的性能。