Buddy 簡介

內存是計算機系統(tǒng)中最重要的核心資源之一，Buddy 系統(tǒng)是 Linux 最底層的內存管理機制，它使用 Page 粒度來管理內存。通常情況下一個 Page 的大小為 4K，在 Buddy 系統(tǒng)中分配、釋放、回收的最小單位都是 Page。

上圖是 Buddy 系統(tǒng)的內部組織結構，本篇文章只關心未分配區(qū)域Free區(qū)域的管理，下篇文章再來分析可回收區(qū)域的管理。

一個系統(tǒng)的內存總大小動輒幾G幾十G，不同的內存區(qū)域也有不同的特性。Buddy 使用層次化的結構把這些特性給組織起來：

• 1、Node。在 NUMA 架構下存在多個 Memory 和 CPU 節(jié)點，不同 CPU 訪問不同 Memory 節(jié)點的速度是不一樣的，使用 Node 的形式把各個 Memory 節(jié)點的內存管理起來。

• 2、Zone。某些外設只能訪問低 16M 的物理地址，某些外設只能訪問低 4G 的物理地址，32bit 的內核空間只能直接映射低 896M 物理地址。根據這些地址空間的限制，把同一個 node 內的內存再劃分成多個 zone 。

• 3、Order Freelist。按照空閑內存塊的長度，把內存掛載到不同長度的 freelist 鏈表中。freelist 的長度是以 (2^order x Page) 來遞增的，即 1 page、2 page、4 page … 2^n，通常情況下最大 order 為10 對應的空閑內存大小為 4M bytes。在分配時，如果一個空閑塊的大小不能被任一長度整除，它就從大到小逐個分解成多個 (2^order x Page) 塊來掛載；在釋放時，首先把內存釋放到對應長度的鏈表中，隨后看看和該內存大小相同、地址相鄰的兄弟塊(Buddy)是不是free的，如果可以和 buddy 塊合并成一個大塊掛載到更高一階的鏈表，在掛載的時候繼續(xù)嘗試合并。這就是 Buddy 的核心思想，已2的冪個 page 的長度來管理內存方便分配和釋放，最核心的目的就是減少內存的碎片化。

• 4、Migrate Type。為了進一步減少碎片化，系統(tǒng)對內存按照遷移類型進行了分類，最基本的遷移類型有：不可移動(unmovable)、可移動(movable)、可回收(reclaimable)。初始的最大塊空閑內存都是 unmovable 的，如果其中一小塊分配給了 reclaimable ，那么剩下的內存都變成了 reclaimable。這樣壞的類型和壞的類型集中到了一起，避免壞情況的擴散從而造成多個 Free 區(qū)域無法合并的情況。

• 5、PerCPU 1 Page Cache。大于 1 Page 的內存分配大多發(fā)生在內核態(tài)，而用戶態(tài)的內存分配使用的是缺頁機制所以分配的大小一般是 1 Page。針對大小為 1 Page 的內存分配，系統(tǒng)設計了一個免鎖的 PerCPU cache 來支撐。1 Page (Order = 0) 的空閑內存優(yōu)先釋放到 PCP 中，超過了一定 batch 才會釋放到 Order Freelist當中；同樣 1 Page 的內存也優(yōu)先在 PCP 中分配。

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Buddy 初始化

Struct Page 初始化

以 Page 大小的粒度來管理內存，一個 Page 對應的物理內存稱為頁框 (Page Frame)。另外為了應對復雜的管理，系統(tǒng)給每個 Page 還分配了一個管理結構 struct page，系統(tǒng)在初始化時會預留這部分的物理內存并且映射到 vmemmap 區(qū)域 (參考：內核地址空間布局)，內核根據物理頁幀的編號 pfn 就能在 vmemmap 區(qū)域中找到對應的 struct page 結構。

struct page 結構存儲了很多信息 (參考：Page 頁幀管理詳解)。在 sparse_init() 時已經把所有的struct page 結構清零，zone_sizes_init() 初始化時主要初始化兩部分信息：

• 1、初始化 struct page :

將 page->flags 中保存的 setcion、node、zone 設置成對應的 index，這樣后續(xù)操作 struct page 結構時就能快速的找到對應的 setcion、node、zone 而不需要重新根據 pfn 來進行計算。page->flags 中的 flag 部分初始化為 0。

另外給 page->_refcount、_mapcount、_last_cpupid、lru 等成員都進行了初始化。

• 2、分配并初始化 zone->pageblock_flags：文章開始時說了 migrate type 的概念。系統(tǒng)把內存劃分成多個 pageblock，一個 pageblock 即對應 (2^max_order x Page)，每個 pageblock 擁有自己的 migrate type。

系統(tǒng)以 zone 為單位分配空間來保存所有 pageblock 的 migrate type：

pageblock 的初始 migrate type 為 MIGRATE_MOVABLE：

pageblock 中第一個分配的內存的 migrate type 決定了整個 pageblock 的 migrate type。

Buddy 初始化

在內核啟動過程中在 Buddy 初始化以前，系統(tǒng)使用一個簡便的 Memblock 機制來管理內存。在 Buddy 數據結構準備好后，需要把 Memblock 中的內存釋放到 Buddy 當中。

這就是 Buddy 系統(tǒng)初始的狀態(tài)，除了保留的內存，其他的內存都處于 Free 狀態(tài)：

具體的釋放細節(jié) __free_pages() 在下一節(jié)中解析。

原文作者：人人極客社區(qū)