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内存管理算法--Buddy伙伴算法【转】

时间:2018-01-11 15:58:20      阅读:227      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:内存管理   .net   div   去掉   freelist   根据   结构   mem   返回   

转自:http://blog.csdn.net/orange_os/article/details/7392986

Buddy算法的优缺点:

1)尽管伙伴内存算法在内存碎片问题上已经做的相当出色,但是该算法中,一个很小的块往往会阻碍一个大块的合并,一个系统中,对内存块的分配,大小是随机的,一片内存中仅一个小的内存块没有释放,旁边两个大的就不能合并。
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2)算法中有一定的浪费现象,伙伴算法是按2的幂次方大小进行分配内存块,当然这样做是有原因的,即为了避免把大的内存块拆的太碎,更重要的是使分配和释放过程迅速。但是他也带来了不利的一面,如果所需内存大小不是2的幂次方,就会有部分页面浪费。有时还很严重。比如原来是1024个块,申请了16个块,再申请600个块就申请不到了,因为已经被分割了。

3)另外拆分和合并涉及到 较多的链表和位图操作,开销还是比较大的。

Buddy(伙伴的定义):

这里给出伙伴的概念,满足以下三个条件的称为伙伴:
1)两个块大小相同;
2)两个块地址连续;
3)两个块必须是同一个大块中分离出来的;

Buddy算法的分配原理:

假如系统需要4(2*2)个页面大小的内存块,该算法就到free_area[2]中查找,如果链表中有空闲块,就直接从中摘下并分配出去。如果没有,算法将顺着数组向上查找free_area[3],如果free_area[3]中有空闲块,则将其从链表中摘下,分成等大小的两部分,前四个页面作为一个块插入free_area[2],后4个页面分配出去,free_area[3]中也没有,就再向上查找,如果free_area[4]中有,就将这16(2*2*2*2)个页面等分成两份,前一半挂如free_area[3]的链表头部,后一半的8个页等分成两等分,前一半挂free_area[2]
的链表中,后一半分配出去。假如free_area[4]也没有,则重复上面的过程,知道到达free_area数组的最后,如果还没有则放弃分配。

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Buddy算法的释放原理:

内存的释放是分配的逆过程,也可以看作是伙伴的合并过程。当释放一个块时,先在其对应的链表中考查是否有伙伴存在,如果没有伙伴块,就直接把要释放的块挂入链表头;如果有,则从链表中摘下伙伴,合并成一个大块,然后继续考察合并后的块在更大一级链表中是否有伙伴存在,直到不能合并或者已经合并到了最大的块(2*2*2*2*2*2*2*2*2个页面)。

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整个过程中,位图扮演了重要的角色,如图2所示,位图的某一位对应两个互为伙伴的块,为1表示其中一块已经分配出去了,为0表示两块都空闲。伙伴中无论是分配还是释放都只是相对的位图进行异或操作。分配内存时对位图的
是为释放过程服务,释放过程根据位图判断伙伴是否存在,如果对相应位的异或操作得1,则没有伙伴可以合并,如果异或操作得0,就进行合并,并且继续按这种方式合并伙伴,直到不能合并为止。


Buddy内存管理的实现:

提到buddy 就会想起linux 下的物理内存的管理 ,这里的memory pool 上实现的 buddy 系统

和linux 上按page 实现的buddy系统有所不同的是,他是按照字节的2的n次方来做block的size

实现的机制中主要的结构如下:

整个buddy 系统的结构:

struct mem_pool_table

{

#define MEM_POOL_TABLE_INIT_COOKIE (0x62756479)

uint32 initialized_cookie; /* Cookie 指示内存已经被初始化后的魔数,  如果已经初始化设置为0x62756479*/

uint8 *mem_pool_ptr;/* 指向内存池的地址*/

uint32 mem_pool_size; /* 整个pool 的size,下面是整个max block size 的大小*/

uint32 max_block_size; /* 必须是2的n次方,表示池中最大块的大小*/   
boolean assert_on_empty; /* 如果该值被设置成TRUE,内存分配请求没有完成就返回 并输出出错信息*/
 uint32 mem_remaining; /* 当前内存池中剩余内存字节数*/                                              
uint32 max_free_list_index; /* 最大freelist 的下标,*/
struct mem_free_hdr_type     *free_lists[MAX_LEVELS];/* 这个就是伙伴系统的level数组*/

#ifdef FEATURE_MEM_CHECK
uint32 max_block_requested;
  uint32 min_free_mem; /* 放mem_remaining */
#endif /* FEATURE_ONCRPC_MEM_CHECK*/
};

 

这个结构是包含在free node 或alloc node 中的结构:

其中check 和 fill 都被设置为某个pattern
用来检查该node 的合法性
#define MEM_HDR_CHECK_PATTERN ((uint16)0x3CA4)
#define MEM_HDR_FILL_PATTERN ((uint8)0x5C)


typedef struct  tagBuddyMemBlockHeadType

{

    mem_pool_type pool; /*回指向内存池*/

    uint16 check;

    uint8 state; /* bits 0-3 放该node 属于那1级 bit 7 如果置1,表示已经分配(not free)

    uint8 fill;

} BUDDY_MEM_BLOCK_HEAD_TYPE;


这个结构就是包含node 类型结构的 free header 的结构:

typedef struct  tagBuddyMemHeadType

{

    mem_node_hdr_type hdr;

    struct mem_free_hdr_type * pNext;   /* next,prev,用于连接free header的双向 list*/

    struct mem_free_hdr_type * pPrev;

} mem_free_hdr_type;

这个结构就是包含node 类型结构的 alloc header 的结构:
已分配的mem 的node 在内存中就是这样表示的

  1. typedef struct mem_alloc_hdr_type
  2. {
  3.    mem_node_hdr_type hdr;

  4. #ifdef FEATURE_MEM_CHECK_OVERWRITE
  5.    uint32     in_use_size;
  6. #endif

  7. } mem_alloc_hdr_type;

其中用in_use_size 来表示如果请求分配的size 所属的level上实际用了多少
比如申请size=2000bytes, 按size to level 应该是2048,实际in_use_size
为2000,剩下48byte 全部填充为某一数值,然后在以后free 是可以check
是否有overwite 到着48byte 中的数值,一般为了速度,只 检查8到16byte

另外为什么不把这剩下的48byte 放到freelist 中其他level 中呢,这个可能
因为本来buddy 系统的缺点就是容易产生碎片,这样的话就更碎了

关于free or alloc node 的示意图:

假设

最小块为2^4=16,着是由mem_alloc_hdr_type (12byte)决定的, 实际可分配4byte

如果假定最大max_block_size =1024,

如果pool 有mem_free_hdr_type[0]上挂了两个1024的block node

上图是free node, 下图紫色为alloc node

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接下来主要是buddy 系统的操作主要包括pool init , mem alloc ,mem free

pool init :
 1. 将实际pool 的大小去掉mem_pool_table 结构大小后的size 放到
     mem_pool_size, 并且修改实际mem_pool_ptr指向前进mem_pool_table
     结构大小的地址
 2.  接下来主要将mem_pool_size 大小的内存,按最大块挂到free_lists 上
    level 为0的list 上,然后小于该level block size 部分,继续挂大下一
    级,循环到全部处理完成  (感觉实际用于pool的size ,应该为减去
    mem_pool_table 的大小,然后和最大块的size 对齐,这样比较好,
    但没有实际测试过)
   
   
mem alloc:
    这部分相当简单,先根据请求mem的size ,实际分配时需要加上mem_alloc_hdr_type
这12byte ,然后根据调整后的size,计算实际应该在那个 level上分配,如果有相应级
很简单,直接返回,如果没有,一级一级循环查找,找到后,把省下的部分,在往下一级
一级插入到对应级的freelist 上

mem free:
     其中free 的地址,减去12 就可以获得mem_alloc_hdr_type 结构
     然后确定buddy 在该被free block 前,还是后面, 然后合并buddy,
     循环寻找上一级的buddy ,有就再合并,只到最大block size 那级



关于这个算法,在<<The Art  of Computer Programming>> vol 1,的
动态存储分配中有描述,对于那些只有OSAL 的小系统,该算法相当有用

内存管理算法--Buddy伙伴算法【转】

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原文地址:https://www.cnblogs.com/sky-heaven/p/8267338.html

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