图解Linux内存管理：伙伴系统

一、引言

Linux内存管理是操作系统核心功能之一，负责高效地管理计算机内存资源。在Linux内核中，伙伴系统（Buddy System）是一种常用的内存分配策略，用于简化内存分配和回收过程。本文将详细讲解伙伴系统的原理和实现，并通过图解的对策帮助读者更好地领会。

二、内存分配与回收

在操作系统中，内存分配和回收是两个重要的过程。当进程需要使用内存时，它会向操作系统请求一块内存区域；当进程不再需要内存时，它会释放这块内存区域。伙伴系统通过将内存划分为大小不同的块来管理这些操作。

三、伙伴系统的原理

伙伴系统将内存划分为大小为2的幂的块，例如：2KB、4KB、8KB等。每个块都有一个伙伴（Buddy），即大小相同但地址相邻的块。当一个进程请求内存时，伙伴系统会查找一个空闲块，并将其分配给进程。如果该块不是最小的块，那么它将被分成两个大小减半的块，其中一个块作为分配给进程的内存，另一个块作为其伙伴。当进程释放内存时，伙伴系统会检查释放的块是否与其伙伴形成一个新的更大的块，如果是，则合并这两个块。

四、伙伴系统的实现

以下是一个易懂的伙伴系统实现示例：

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    // 定义块的大小和伙伴索引
    #define BLOCK_SIZE 8
    #define BLOCK_INDEX (BLOCK_SIZE - 1)
    // 定义空闲列表
    struct free_list {
        struct free_list *next;
        int size;
    };
    // 创建一个大小为size的空闲块
    struct free_list *create_free_block(int size) {
        struct free_list *block = (struct free_list *)malloc(sizeof(struct free_list));
        if (block == NULL) {
            return NULL;
        }
        block->next = NULL;
        block->size = size;
        return block;
    }
    // 分配内存
    struct free_list *allocate_memory(int size) {
        struct free_list *block = NULL;
        int index = BLOCK_INDEX;
        // 从空闲列表中查找合适的块
        while (index >= 0 && (block = free_list[index]) == NULL) {
            index--;
        }
        if (block == NULL) {
            return NULL; // 没有足够的内存
        }
        // 如果块大小大于请求的大小，分割块
        if (block->size > size) {
            struct free_list *new_block = create_free_block(block->size / 2);
            if (new_block == NULL) {
                return NULL; // 内存分配未果
            }
            new_block->next = block->next;
            block->next = new_block;
            block->size /= 2;
        }
        // 分配内存并返回指针
        return block;
    }
    // 释放内存
    void free_memory(struct free_list *block) {
        int index = BLOCK_INDEX;
        struct free_list *buddy = NULL;
        // 查找伙伴块
        while (index >= 0 && (buddy = free_list[index]) == NULL) {
            index--;
        }
        // 如果伙伴块存在，合并块
        if (buddy != NULL && buddy->size == block->size) {
            struct free_list *prev = NULL;
            struct free_list *current = free_list[BLOCK_INDEX];
            while (current != NULL && current != block) {
                prev = current;
                current = current->next;
            }
            if (prev != NULL) {
                prev->next = block->next;
            } else {
                free_list[BLOCK_INDEX] = block->next;
            }
            block->size *= 2;
            free(buddy);
            buddy = block;
        }
        // 将块添加到空闲列表
        block->next = free_list[BLOCK_INDEX];
        free_list[BLOCK_INDEX] = block;
    }
    int main() {
        // 初始化空闲列表
        struct free_list *free_list[BLOCK_INDEX + 1] = {NULL};
        // 分配内存
        struct free_list *block = allocate_memory(16);
        if (block == NULL) {
            printf("Memory allocation failed. ");
            return 1;
        }
        printf("Memory allocated at
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