📚 课程目录第2章物理内存管理基础

2. 物理内存管理基础：伙伴系统原理与页面分配释放流程

伙伴系统（Buddy System）是 Linux 内核物理内存管理的核心算法，负责管理连续物理页框的分配与回收。它直接服务于 slab 分配器与 kmalloc，是上层内存分配器的基石。理解伙伴系统的工作原理，是掌握内存分配器选型的前提。

2.1 伙伴系统核心概念

伙伴系统将物理内存划分为 2^order 个连续页框组成的块（block），其中 order 为 0 到 MAX_ORDER-1（通常 MAX_ORDER=11）。每个 order 对应一个空闲链表，链表中的每个节点代表一个大小相同的连续空闲内存块。

Order	页框数	大小（4K 页）	典型用途
0	1	4 KB	slab 对象、进程页表
1	2	8 KB	小文件系统缓存
2	4	16 KB	DMA 缓冲区
3	8	32 KB	网络 sk_buff
4	16	64 KB	中等 I/O 请求
9	512	2 MB	透明大页（THP）
10	1024	4 MB	内核大块映射

关键术语：两个大小相同、地址连续的块，且它们由同一个更大的块分裂而来，互称为“伙伴”（buddy）。伙伴的合并条件是：两个块的物理地址连续，且低地址块的起始地址是 2^(order+1) 的整数倍。

2.2 伙伴系统数据结构

每个内存节点（NUMA node）的每个管理区（zone）都维护一个 free_area 数组，数组下标对应 order 值。每个 free_area 包含一个链表头和一个位图（bitmap），用于跟踪该 order 下空闲块的伙伴关系。

// 内核源码 include/linux/mmzone.h (简化示意)
struct free_area {
    struct list_head    free_list;   // 空闲块链表
    unsigned long       *map;        // 伙伴位图
};

struct zone {
    // ...
    struct free_area    free_area[MAX_ORDER];  // 0 ~ MAX_ORDER-1
    // ...
};

  数据结构要点：
  free_list：双向链表，链接所有该 order 的空闲块描述符（struct page）。
map：位图，每一位表示一对伙伴的合并状态。1 表示已合并，0 表示未合并。
分配时从高 order 向低 order 搜索，释放时从低 order 向高 order 合并。

2.3 页面分配流程

当内核请求分配 2^order 个连续页框时，伙伴系统执行以下步骤：

快速路径（fast path）： 从当前 zone 的 free_area[order] 链表头部取出一个空闲块。如果链表非空，直接返回。
分裂路径（split path）： 如果当前 order 链表为空，则向高一级 order 搜索。找到第一个非空链表后，取出一个块，将其分裂为两个大小相等的伙伴块。
递归分裂： 将高 order 块分裂后，低地址块插入当前 order 链表，高地址块继续向下分裂，直到满足目标 order。
返回： 将最终得到的块从链表中移除，返回其起始页框描述符（struct page *）。

性能陷阱： 分裂操作会触发写锁（zone->lock），在高并发分配场景下可能成为瓶颈。内核通过 per-CPU 页框缓存（PCP）缓解此问题，避免频繁进入伙伴系统。

2.4 页面释放流程

释放页面时，伙伴系统尝试与伙伴块合并，以减少内存碎片：

检查伙伴： 计算待释放块的伙伴地址。伙伴地址 = 块起始地址 XOR (1 << (order + PAGE_SHIFT))。
位图判断： 检查 free_area[order].map 中对应位。如果伙伴空闲且可合并，则执行合并。
合并： 将伙伴块从链表中移除，合并后的块进入 order+1 链表，并更新位图。
递归合并： 继续检查更高 order 的伙伴，直到无法合并或达到 MAX_ORDER-1。
插入： 将最终块插入对应 order 的空闲链表。

  合并条件严格性： 两个块必须满足：

  (1) 大小相同（相同 order）；

  (2) 物理地址连续；

  (3) 低地址块的起始地址是 2(order+1) 的整数倍；

  (4) 两个块当前都处于空闲状态。

2.5 伙伴系统的优缺点

维度	优点	缺点
分配速度	O(1) 快速路径（链表非空时）	分裂路径 O(log N)，高 order 搜索耗时
内存碎片	合并机制有效缓解外碎片	内碎片不可避免（分配粒度 2^order）
并发性	per-zone 锁，NUMA 友好	高竞争场景下锁争用严重
大块支持	天然支持 2^order 连续内存	长时间运行后大块稀缺
与 slab 关系	为 slab 提供连续页框	slab 对象释放后返回伙伴系统代价高

2.6 伙伴系统与上层分配器的关系

伙伴系统是内核物理内存分配的最底层引擎，上层分配器通过以下方式与之交互：

slab 分配器： 调用 alloc_pages() 从伙伴系统获取 order=0 的页框，然后在其上划分对象。
kmalloc： 对于 > 8KB 的请求，直接调用伙伴系统分配 order≥1 的连续页框。
vmalloc： 虽然使用伙伴系统分配物理页，但通过页表映射为非连续虚拟地址。
DMA 缓冲区： 通常要求 order≥0 的连续物理内存，直接依赖伙伴系统。