频繁地请求和释放不同大小的内存,必然导致内存碎片问题的产生,结果就是当再次要求分配连续的内存时,即使整体内存是足够的,也无法满足连续内存的需求。该问题也称之为外碎片(external fragmentation)。
解决方案:
避免外碎片的方法有两种:
1、利用分页单元把一组非连续的空闲页框映射到连续的线性地址
2、开发一种适当的技术来记录现存的空闲的连续页框块的情况,以尽量避免为满足对小块的请求而分割大的空闲快
第一种方案的意思是,我们使用地址转换技术,把非连续的物理地址转换成连续的线性地址。
第二种方案的意思是,开发一种特有的分配技术来记录下来空闲内存的情况,从而解决内存碎片问题。
Linux采用了第二种方案,因为在某些情况下,系统的确需要连续的物理地址(DMA处理器可以直接访问总线)。
Linux采用著名的伙伴系统(buddy system)算法来解决外碎片问题。把所有的空闲页框分组为11个块链表,每个链表分别包含大小为1,2,4,8,16,32,64,128,256,512,1024个连续的页框,对1024个页框的最大请求对应着4MB大小的连续RAM(每页大小为4KB),每个块的第一个页框的物理地址是该块大小的整数倍,例如,大小为16个页框的块,其起始地址是16*2^12的倍数。
我们通过一个例子来说明伙伴算法的工作原理,假设现在要请求一个256个页框的块(1MB),算法步骤如下:
• 在256个页框的链表中检查是否有一个空闲快,如果没有,查找下一个更大的块,如果有,请求满足。
• 在512个页框的链表中检查是否有一个空闲块,如果有,把512个页框的空闲块分为两份,第一份用于满足请求,第二份链接到256个页框的链表中。如果没有空闲块,继续寻找下一个更大的块。
以上过程的逆过程,就是页框块的释放过程,也是该算法名字的由来,内核试图把大小为B的一对空闲伙伴块合并为一个2B的单独块,满足以下条件的两个块称之为伙伴:
• 两个块具有相同的大小
• 他们的物理地址是连续的
第一块的第一个页框的物理地址是2 * B * 2^12
该算法是递归的,如果它成功合并了B,就会试图去合并2B,以再次试图形成更大的块。