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内存管理技术探讨

内存碎片

内存碎片是内存管理中的一个重要问题，主要表现为外部内存碎片和内部内存碎片。外部内存碎片指的是系统中存在多个不连续的小物理内存块，导致新程序无法被正常装载。内部内存碎片则是指程序所有内存都被加载到物理内存中，但部分内存未被常用，造成内存浪费。

Linux内存管理

Linux内核采用了复杂的内存管理机制，主要涉及kmalloc和slab两种分配方式。kmalloc基于slab和buddy算法进行内存分配，而用户空间的内存管理则通过malloc和free实现，涉及brk和sbrk以及mmap等函数。

kmalloc与free

内核空间的内存分配主要依赖kmalloc和free函数，这些函数基于slab和buddy算法来管理内存。kmalloc会从buddy链表中找到合适的内存块，并分配给请求者。释放内存时，free会将块归还到buddy链表中，等待下次分配使用。

用户空间内存管理

用户空间的内存分配则依赖于brk、sbrk和mmap函数。brk和sbrk用于管理堆内存，而mmap则用于动态内存分配。mmap会将虚拟内存转换为物理内存，并通过buddy算法进行分配。对于小于128KB的内存请求，系统优先使用brk分配；而对于大于128KB的请求，则使用mmap。

buddy伙伴算法

buddy伙伴算法是一种内存管理算法，以页为基本单位（通常为4KB），将空闲内存划分为多个链表。每个链表中的块大小为2^n * 4KB（n为链表索引）。当需要分配内存时，系统会先在对应链表中查找，若找到可用块则直接分配；若未找到，则继续到更大块的链表中查找，拆分所需块并将剩余块归入适当的链表中。

这种算法能够有效解决外部内存碎片问题，但也会导致内部内存碎片。例如，用户层直接使用buddy算法分配1byte内存时，实际分配的是1页（4096byte），造成大量内存浪费。

slab内核分配算法

slab内核分配算法是内核层用于管理内存的重要机制。系统将高速缓存内存划分为多个slab，每个slab包含若干连续的页框。这些页框既包含已分配的对象，也包含空闲的对象。

在分配struct task_struct（进程描述符）时，内核会从cache中获取所需的内存。cache中存储的是已预分配并标记为空闲的struct task_struct对象。当需要新进程时，内核会优先从部分空闲的slab中分配，若无可用空间则从空闲的slab中获取，必要时还会从物理页框中分配新的slab，并将其加入cache。

slab的状态分为满的、空的和部分状态，内核在分配时会优先使用部分空闲的slab，若无则使用空闲的slab，最后才会分配新的物理页框。

总结

buddy算法通过以页为基本单位解决了外部内存碎片问题，但在用户层实现内存管理时会引入内部内存碎片。slab算法则通过将高速缓存内存划分为多个slab，有效管理内核内存分配。与此同时，malloc和free函数负责虚拟内存管理，但并未解决内部内存碎片问题。因此，Linux内核需要结合buddy和slab算法，才能在内存管理中实现高效与节省。