本节，我将介绍linux系统物理内存分配时所用到的技术——伙伴系统和slab缓存。
伙伴系统
使用场景：内核中很多时候要求分配连续页，为快速检测内存中的连续区域，内核采用了一种技术：伙伴系统。

原理：系统中的空闲内存总是两两分组，每组中的两个内存块称作伙伴。伙伴的分配可以是彼此独立的。但如果两个小伙伴都是空闲的，内核将其合并为一个更大的内存块，作为下一层次上某个内存块的伙伴。如下图给出了一对伙伴，初始大小均为8页。

内核对所有大小相同的小伙伴，都放置到统一列表中管理。如果系统现在需要8个页帧，则将16个页帧组成的块拆分为两个伙伴。其中一块用于满足应用程序的请求，而剩余的8个页帧则放置到对应8页大小内存块的列表中。

如果下一个请求只需要2个连续页帧，则由8页组成的块分裂成2个伙伴，每个包含4个页帧。其中一块放置回伙伴列表中，而另一个再次分裂成2个伙伴，每个包含2页。其中一个回到伙伴系统，另一个则传递给应用程序。

在应用程序释放内存时，内核可以直接检查地址，来判断是否创建一组伙伴，并合并为一个更大的内存块放回到伙伴列表中，这刚好是内存块分裂的逆过程，提高了较大内存块的可用性。

slab缓存
适用场景：内核本身经常需要比完整页帧小的多的内存块。

原理：在伙伴系统基础上自行定义额外的内存管理层，将伙伴系统提供的页划分为更小的部分。

方法1：对频繁使用的对象，内核定义了只包含了所需类型对象实例的缓存。每次需要某种对象时，可以从对应的缓存快速分配（使用后释放到缓存）。slab缓存自动维护与伙伴系统的交互，在缓存用尽时会请求新的页帧。

方法2：对通常情况下小内存块的分配，内核针对不同大小的对象定义了一组slab缓存，可以像用户空间编程一样，用相同的函数访问这些缓存。不同之处是这些函数都增加了前缀k，表明是与内核相关联的：kmalloc和kfree。

1．原理

Linux的伙伴算法把所有的空闲页面分为10个块组，每组中块的大小是2的幂次方个页面，例如，第0组中块的大小都为20 （1个页面），第1组中块的大小为都为21（2个页面），第9组中块的大小都为29（512个页面）。也就是说，每一组中块的大小是相同的，且这同样大小的块形成一个链表。

我们通过一个简单的例子来说明该算法的工作原理。

假设要求分配的块其大小为128个页面（由多个页面组成的块我们就叫做页面块）。该算法先在块大小为128个页面的链表中查找，看是否有这样一个空闲块。如果有，就直接分配；如果没有，该算法会查找下一个更大的块，具体地说，就是在块大小为256个页面的链表中查找一个空闲块。如果存在这样的空闲块，内核就把这256个页面分为两等份，一份分配出去，另一份插入到块大小为128个页面的链表中。如果在块大小为256个页面的链表中也没有找到空闲页块，就继续找更大的块，即512个页面的块。如果存在这样的块，内核就从512个页面的块中分出128个页面满足请求，然后从384个页面中取出256个页面插入到块大小为256个页面的链表中。然后把剩余的128个页面插入到块大小为128个页面的链表中。如果512个页面的链表中还没有空闲块，该算法就放弃分配，并发出出错信号。

以上过程的逆过程就是块的释放过程，这也是该算法名字的来由。满足以下条件的两个块称为伙伴：

· 两个块的大小相同

· 两个块的物理地址连续

伙伴算法把满足以上条件的两个块合并为一个块，该算法是迭代算法，如果合并后的块还可以跟相邻的块进行合并，那么该算法就继续合并。

6.3.3 Slab分配机制

采用伙伴算法分配内存时，每次至少分配一个页面。但当请求分配的内存大小为几十个字节或几百个字节时应该如何处理？如何在一个页面中分配小的内存区，小内存区的分配所产生的内碎片又如何解决？

Linux2.0采用的解决办法是建立了13个空闲区链表，它们的大小从32字节到132056字节。从Linux2.2开始，MM的开发者采用了一种叫做slab的分配模式，该模式早在1994年就被开发出来，用于Sun Microsystem Solaris 2.4操作系统中。Slab的提出主要是基于以下考虑：

· 内核对内存区的分配取决于所存放数据的类型。例如，当给用户态进程分配页面时，内核调用get_free_page()函数，并用0填充这个页面。 而给内核的数据结构分配页面时，事情没有这么简单，例如，要对数据结构所在的内存进行初始化、在不用时要收回它们所占用的内存。因此，Slab中引入了对象这个概念，所谓对象就是存放一组数据结构的内存区，其方法就是构造或析构函数，构造函数用于初始化数据结构所在的内存区，而析构函数收回相应的内存区。但为了便于理解，你也可以把对象直接看作内核的数据结构。为了避免重复初始化对象，Slab分配模式并不丢弃已分配的对象，而是释放但把它们依然保留在内存中。当以后又要请求分配同一对象时，就可以从内存获取而不用进行初始化，这是在Solaris 中引入Slab的基本思想。

实际上，Linux中对Slab分配模式有所改进，它对内存区的处理并不需要进行初始化或回收。出于效率的考虑，Linux并不调用对象的构造或析构函数，而是把指向这两个函数的指针都置为空。Linux中引入Slab的主要目的是为了减少对伙伴算法的调用次数。

· 实际上，内核经常反复使用某一内存区。例如，只要内核创建一个新的进程，就要为该进程相关的数据结构（task_struct、打开文件对象等）分配内存区。当进程结束时，收回这些内存区。因为进程的创建和撤销非常频繁，因此，Linux的早期版本把大量的时间花费在反复分配或回收这些内存区上。从Linux2.2开始，把那些频繁使用的页面保存在高速缓存中并重新使用。

· 可以根据对内存区的使用频率来对它分类。对于预期频繁使用的内存区，可以创建一组特定大小的专用缓冲区进行处理，以避免内碎片的产生。对于较少使用的内存区，可以创建一组通用缓冲区（如Linux2.0中所使用的2的幂次方）来处理，即使这种处理模式产生碎片，也对整个系统的性能影响不大。

· 硬件高速缓存的使用，又为尽量减少对伙伴算法的调用提供了另一个理由，因为对伙伴算法的每次调用都会“弄脏”硬件高速缓存，因此，这就增加了对内存的平均访问次数。

Slab分配模式把对象分组放进缓冲区（尽管英文中使用了Cache这个词，但实际上指的是内存中的区域，而不是指硬件高速缓存）。因为缓冲区的组织和管理与硬件高速缓存的命中率密切相关，因此，Slab缓冲区并非由各个对象直接构成，而是由一连串的“大块（Slab）”构成，而每个大块中则包含了若干个同种类型的对象，这些对象或已被分配，或空闲，如图6.12所示。一般而言，对象分两种，一种是大对象，一种是小对象。所谓小对象，是指在一个页面中可以容纳下好几个对象的那种。例如，一个inode结构大约占300多个字节，因此，一个页面中可以容纳8个以上的inode结构，因此，inode结构就为小对象。Linux内核中把小于512字节的对象叫做小对象。

实际上，缓冲区就是主存中的一片区域，把这片区域划分为多个块，每块就是一个Slab，每个Slab由一个或多个页面组成，每个Slab中存放的就是对象。

因为Slab分配模式的实现比较复杂，我们不准备对其进行详细的分析，只对主要内容给予描述。

Jeff 发现对内核中普通对象进行初始化所需的时间超过了对其进行分配和释放所需的时间。因此他的结论是不应该将内存释放回一个全局的内存池，而是将内存保持为针对特定目而初始化的状态。