Buddy 简介

内存是计算机系统中最重要的核心资源之一，Buddy 系统是 Linux 最底层的内存管理机制，它使用 Page 粒度来管理内存。通常情况下一个 Page 的大小为 4K，在 Buddy 系统中分配、释放、回收的最小单位都是 Page。

上图是 Buddy 系统的内部组织结构，本篇文章只关心未分配区域Free区域的管理，下篇文章再来分析可回收区域的管理。

一个系统的内存总大小动辄几G几十G，不同的内存区域也有不同的特性。Buddy 使用层次化的结构把这些特性给组织起来：

• 1、Node。在 NUMA 架构下存在多个 Memory 和 CPU 节点，不同 CPU 访问不同 Memory 节点的速度是不一样的，使用 Node 的形式把各个 Memory 节点的内存管理起来。

• 2、Zone。某些外设只能访问低 16M 的物理地址，某些外设只能访问低 4G 的物理地址，32bit 的内核空间只能直接映射低 896M 物理地址。根据这些地址空间的限制，把同一个 node 内的内存再划分成多个 zone 。

• 3、Order Freelist。按照空闲内存块的长度，把内存挂载到不同长度的 freelist 链表中。freelist 的长度是以 (2^order x Page) 来递增的，即 1 page、2 page、4 page … 2^n，通常情况下最大 order 为10 对应的空闲内存大小为 4M bytes。在分配时，如果一个空闲块的大小不能被任一长度整除，它就从大到小逐个分解成多个 (2^order x Page) 块来挂载；在释放时，首先把内存释放到对应长度的链表中，随后看看和该内存大小相同、地址相邻的兄弟块(Buddy)是不是free的，如果可以和 buddy 块合并成一个大块挂载到更高一阶的链表，在挂载的时候继续尝试合并。这就是 Buddy 的核心思想，已2的幂个 page 的长度来管理内存方便分配和释放，最核心的目的就是减少内存的碎片化。

• 4、Migrate Type。为了进一步减少碎片化，系统对内存按照迁移类型进行了分类，最基本的迁移类型有：不可移动(unmovable)、可移动(movable)、可回收(reclaimable)。初始的最大块空闲内存都是 unmovable 的，如果其中一小块分配给了 reclaimable ，那么剩下的内存都变成了 reclaimable。这样坏的类型和坏的类型集中到了一起，避免坏情况的扩散从而造成多个 Free 区域无法合并的情况。

• 5、PerCPU 1 Page Cache。大于 1 Page 的内存分配大多发生在内核态，而用户态的内存分配使用的是缺页机制所以分配的大小一般是 1 Page。针对大小为 1 Page 的内存分配，系统设计了一个免锁的 PerCPU cache 来支撑。1 Page (Order = 0) 的空闲内存优先释放到 PCP 中，超过了一定 batch 才会释放到 Order Freelist当中；同样 1 Page 的内存也优先在 PCP 中分配。

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Buddy 初始化

Struct Page 初始化

以 Page 大小的粒度来管理内存，一个 Page 对应的物理内存称为页框 (Page Frame)。另外为了应对复杂的管理，系统给每个 Page 还分配了一个管理结构 struct page，系统在初始化时会预留这部分的物理内存并且映射到 vmemmap 区域 (参考：内核地址空间布局)，内核根据物理页帧的编号 pfn 就能在 vmemmap 区域中找到对应的 struct page 结构。

struct page 结构存储了很多信息 (参考：Page 页帧管理详解)。在 sparse_init() 时已经把所有的struct page 结构清零，zone_sizes_init() 初始化时主要初始化两部分信息：

• 1、初始化 struct page :

将 page->flags 中保存的 setcion、node、zone 设置成对应的 index，这样后续操作 struct page 结构时就能快速的找到对应的 setcion、node、zone 而不需要重新根据 pfn 来进行计算。page->flags 中的 flag 部分初始化为 0。

另外给 page->_refcount、_mapcount、_last_cpupid、lru 等成员都进行了初始化。

• 2、分配并初始化 zone->pageblock_flags：文章开始时说了 migrate type 的概念。系统把内存划分成多个 pageblock，一个 pageblock 即对应 (2^max_order x Page)，每个 pageblock 拥有自己的 migrate type。

系统以 zone 为单位分配空间来保存所有 pageblock 的 migrate type：

pageblock 的初始 migrate type 为 MIGRATE_MOVABLE：

pageblock 中第一个分配的内存的 migrate type 决定了整个 pageblock 的 migrate type。

Buddy 初始化

在内核启动过程中在 Buddy 初始化以前，系统使用一个简便的 Memblock 机制来管理内存。在 Buddy 数据结构准备好后，需要把 Memblock 中的内存释放到 Buddy 当中。

这就是 Buddy 系统初始的状态，除了保留的内存，其他的内存都处于 Free 状态：

具体的释放细节 __free_pages() 在下一节中解析。

原文作者：人人极客社区