Linux内存管理：伙伴算法与页框管理

"buddy算法(伙伴算法)是Linux操作系统中用于内存管理的一种高效算法，主要目的是解决内存碎片问题。在Linux内核中，它被用来管理物理内存的空闲页框，以确保内存的高效利用。伙伴算法将所有的空闲页框划分为10个不同的块链表，这些链表分别包含不同大小的连续页框，尺寸从1个页框到512个页框不等。每个块的起始地址都是其大小的整数倍，例如，一个包含16个页框的块，其起始地址应该是16个4KB页框的倍数。这种分组方式使得内存分配和回收更为简便，能够快速找到合适大小的连续内存块。 内存管理在操作系统中扮演着至关重要的角色，尤其是在动态存储器的管理上。动态存储器是指那些可以根据进程需求进行分配和释放的内存部分。由于内存资源有限且对系统性能影响巨大，因此有效的内存管理至关重要。Linux内核通过分段和分页机制将逻辑地址转换为物理地址，并利用页作为内存管理的基本单位，标准页框大小通常设定为4KB，便于管理和提高数据传输效率。 在Linux内核中，每个物理页框的状态都由页描述符(struct page)进行跟踪，包括是否为空闲、使用者信息等。所有的页描述符组织在一个名为mem_map的数组中，这样可以方便地查看和管理所有物理内存页框。内核需要记录每个页框的用途，如用户态进程、内核数据结构、静态内核代码、页面缓存或设备驱动程序缓冲等。 页框管理还包括空闲页框的分配和回收。当需要分配内存时，伙伴算法会找到合适的块并将其分裂成两个较小的伙伴块，如果需要更大的空间，则可以将相邻的小块合并成一个大块。这种分裂和合并的过程有效地解决了碎片问题，保证了内存的高效使用。对于小内存管理，Linux内核也有专门的策略，比如slab分配器，它针对小对象的分配提供优化，减少内存碎片。 此外，除了连续的内存区域，Linux内核还需要处理非连续存储区的管理，这涉及到内存的分散和聚集操作。通过这些复杂而精细的内存管理机制，Linux内核能够有效地支持多进程并发执行，同时保持系统的稳定性和高性能。"