2. 伙伴系统（Buddy System）

伙伴系统是 Linux 内核物理页面管理的基础分配器，直接管理 物理内存页（4KB 页框） 的分配与释放。它位于内存管理的最底层，为 slab 分配器、vmalloc、直接映射区等上层机制提供连续的物理页面。理解伙伴系统是掌握内存碎片问题的前提。

2.1 伙伴系统原理

伙伴系统将物理内存组织成 11 个链表（order 0 ~ order 10），每个链表挂载大小相同的连续页块。order 0 块大小为 1 页（4KB），order 1 为 2 页（8KB），……，order 10 为 1024 页（4MB）。

分配过程遵循 “最小满足 + 分裂” 策略：

1. 从请求 order 对应的链表查找空闲块；
2. 若链表为空，向上一级 order 链表请求一个更大的块；
3. 将大块分裂成两个等大的伙伴块，一个返回给请求者，另一个挂入低一级链表；
4. 重复分裂直到满足请求 order。

2.2 页面分配与释放

内核通过 alloc_pages 和 __free_pages 两个核心函数与伙伴系统交互。分配时指定 gfp_mask（分配标志） 和 order，释放时传入页面描述符 struct page * 和 order。

2.2.1 分配路径

// 分配 2^order 个连续物理页
struct page *alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order);

// 常用封装：
// 分配单页
struct page *alloc_page(gfp_t gfp_mask);
// 分配并返回虚拟地址
unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order);

分配标志 gfp_mask 控制行为：

2.2.2 释放路径

// 释放 2^order 个连续物理页
void __free_pages(struct page *page, unsigned int order);

// 常用封装：
void free_page(unsigned long addr);
void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order);

释放时伙伴系统执行 反向合并：

1. 检查待释放块的伙伴是否空闲（通过 struct page 中的 private 字段和位图）；
2. 若伙伴空闲且 order 相同，合并为更大的块；
3. 递归向上检查，直到无法合并或达到最大 order；
4. 将最终块插入对应 order 的空闲链表。

2.3 碎片化问题

尽管伙伴系统通过合并机制努力减少碎片，但在长期运行的内核中，外部碎片 仍然是严重问题。碎片化导致即使总空闲内存充足，也无法分配连续的物理大块。

2.3.1 碎片类型

2.3.2 碎片化成因

• 分配与释放顺序交错：不同大小的块频繁分配释放，破坏伙伴关系，阻止合并。
• 长生命周期页面：内核核心代码、页表、slab 缓存等长期驻留页面成为“碎片锚点”。
• MAX_ORDER 限制：伙伴系统最大 order 为 10（4MB），超过此大小的连续需求无法满足。
• 内存域（zone）边界：DMA、DMA32、Normal 等内存域之间的物理地址不连续，加剧碎片。

2.3.3 碎片化度量

内核通过 /proc/buddyinfo 暴露各 order 的空闲块数量，是诊断碎片化的直接工具：

# cat /proc/buddyinfo
Node 0, zone   Normal   1234   567    234    89    34    12    5    2    1    0    0
Node 0, zone  DMA32    4567  1234    567   234    89    34    12    5    2    1    0
Node 1, zone   Normal   2345   890    345   123    45    18    7    3    1    0    0

每列从左到右对应 order 0 ~ order 10。若高 order 列（右侧）长期为 0，说明存在严重外部碎片。

2.4 碎片化缓解机制

Linux 内核引入了多种机制对抗伙伴系统碎片化，这些机制将在后续章节详细展开：