Linux内存管理的伙伴系统是一种用于解决外部碎片问题的内存分配方案。它基于二进制伙伴算法，通过将内存分成大小为2的幂次方的块来管理和分配物理内存页面。伙伴系统的基本思想是将内存块分成一对一对的伙伴，其中一个伙伴被分配给应用程序使用，另一个伙伴保持空闲状态。当一个内存块被释放时，系统会检查其伙伴是否也处于空闲状态，如果是，则将两个伙伴合并为一个更大的内存块。

伙伴系统的结构

伙伴系统的数据结构主要包括以下几个部分：

1. struct zone：每个内存域都关联了一个struct zone的实例，其中保存了用于管理伙伴数据的主要数数组[1]。
2. struct free_area：伙伴系统的辅助数据结构，用于维护空闲页面所组成的块。每个块都是2的幂次方个页面，幂次方称为阶。阶作为数组索引，用于指定对应链表中的连续内存区包含多少个页帧[1]。

最大阶MAX_ORDER与FORCE_MAX_ZONEORDER配置选项

在Linux内核中，最大阶MAX_ORDER默认定义为11，意味着一次分配最多可以请求2^11=2048个页面[1]。但是，特定体系结构的代码可以通过设置FORCE_MAX_ZONEORDER配置选项来手动改变最大阶的值。不同的体系结构可能会使用不同的最大阶值，例如IA-64系统可以处理MAX_ORDER=18的情况，而ARM或v850系统可能使用较小的值[1]。

内存区是如何连接的

内存区是伙伴系统中的一个重要概念，它描述了内存块的连接关系。内存区中的每一页都可以用于将内存区维持在链表中，这样就不需要引入新的数据结构来管理物理上连续的页。伙伴不必是彼此连接的，如果一个内存区在分配期间分解为两半，未使用的一半会被加入到对应的链表中。如果两个内存区都处于空闲状态，它们可以通过地址判断是否为伙伴，从而合并为一个更大的内存块。所有内存域和结点的伙伴系统都通过备用分配列表连接起来[1]。

内存分配和释放过程

伙伴系统的内存分配和释放过程如下：

1. 内存分配：当应用程序请求分配一定数量的连续页帧时，伙伴系统会根据请求的大小在对应的链表中查找合适的内存块。如果找到了合适的内存块，则将其分配给应用程序使用。如果没有找到合适的内存块，则会将一个较大的内存块分裂成两个伙伴，其中一个伙伴被分配给应用程序，另一个伙伴保持空闲状态，并加入到对应的链表中[1]。

2. 内存释放：当应用程序释放已分配的内存块时，伙伴系统会检查被释放的内存块的伙伴是否也处于空闲状态。如果伙伴也空闲，则将两个伙伴合并为一个更大的内存块，并将其加入到对应的链表中[1]。

内存碎片和处理方法

伙伴系统可以有效地避免外部碎片的产生，因为Linux内存管理的伙伴系统是一种用于管理和分配物理内存页面的算法。它基于二进制伙伴算法，由Knowlton设计并由Knuth进行了更深入的描述[1]。伙伴系统是一种结合了2的方幂个分配器和空闲缓冲区合并技术的内存分配方案。

伙伴系统的基本思想很简单：将内存分成含有很多页面的大块，每一块都是2个页面大小的方幂。如果找不到所需大小的块，一个大块会被分成两部分，这两部分彼此成为伙伴。其中一半被用来分配，而另一半则保持空闲。这些块在以后的分配过程中会继续被二分，直至产生一个所需大小的块。当一个块被最终释放时，其伙伴将被检测出来，如果伙伴也是空闲的，则两者会合并[1]。

伙伴系统的结构

伙伴系统的数据结构主要包括以下几个部分：

1. struct zone：系统内存中的每个物理内存页（页帧）都对应于一个struct page实例，而每个内存域都关联了一个struct zone的实例，其中保存了用于管理伙伴数据的主要数数组[1]。

2. struct free_area：这是一个伙伴系统的辅助数据结构，用于维护空闲页面所组成的块。每一块都是2的方幂个页面，方幂的指数称为阶。阶是伙伴系统中一个非常重要的术语，它描述了内存分配的数量单位。内存块的长度是2^阶，其中阶的范围从0到MAX_ORDER。在struct zone中，通过一个名为free_area的数组来管理不同阶的内存块[1]。

3. MAX_ORDER和FORCE_MAX_ZONEORDER：MAX_ORDER是伙伴系统中最大的阶数，默认定义为11，意味着一次分配可以请求的页数最大是2^11=2048。但如果特定于体系结构的代码设置了FORCE_MAX_ZONEORDER配置选项，那么MAX_ORDER的值可以手动改变。不同的体系结构可能会根据其特定需求设置不同的MAX_ORDER值[1]。

内存区的连接

内存区是伙伴系统中的一个重要概念，它描述了内存块的连接关系。以下是内存区的连接方式：

1. 内存区中的第1页内的链表元素可以用于将内存区维持在链表中，这样就不必引入新的数据结构来管理物理上连续的页。如果一个内存区在分配期间分解为两半，内核会自动将未使用的一半加入到对应的链表中[1]。

2. 伙伴不必是彼此连接的。如果两个内存区都处于空闲状态，可以通过它们的地址判断它们是否是伙伴。这种管理方式减少了管理工作量，是伙伴系统的一个主要优点[1]。

3. 基于伙伴系统的内存管理专注于某个结点的某个内存域，但所有内存域和结点的伙伴系统都通过备用分配列表连接起来[1]。

总结

Linux内存管理的伙伴系统是一种用于管理和分配物理内存页面的算法。它基于二进制伙伴算法，通过将内存分成含有很多页面的大块，并使用伙伴的方式进行分配和合并

Learn more:

1. 一篇看懂！伙伴系统之伙伴系统概述--Linux内存管理 - 知乎
2. 伙伴系统
3. 3.2.4 Buddy System(伙伴系统) - Linux核心概念详解