内存分配与碎片

内存碎片

外部碎片

空闲内存分散分布，总量足够但没有足够大的连续空闲块来满足请求。常见于分段管理。

内部碎片

分配给进程的内存块比实际需要的大，多余部分浪费。常见于分页管理（页大小4KB，请求4.1KB需分配2页=8KB）。

连续分配策略

伙伴系统（Buddy System）

Linux 内核用伙伴系统管理物理页帧。核心思想：按 2 的幂次大小分块，分配时拆分，回收时合并伙伴块。

请求 21KB → 向上取整到 32KB:

256KB
├── 128KB
│   ├── 64KB
│   │   ├── 32KB ← 分配（内部碎片 11KB）
│   │   └── 32KB （空闲伙伴）
│   └── 64KB （空闲）
└── 128KB （空闲）

释放: 32KB → 与伙伴合并为 64KB → 合并为 128KB → ...

优点：O(log n) 分配/回收，有效减少外部碎片。缺点：内部碎片。

Slab 分配器

伙伴系统最小单位是页（4KB），但内核有大量小对象。Slab 为每种对象维护专用缓存池：

Slab（伙伴系统分配的页）
┌────┐ ┌────┐ ┌────┐ ┌────┐ ┌────┐
│obj │ │obj │ │free│ │obj │ │free│
│已用│ │已用│ │空闲│ │已用│ │空闲│
└────┘ └────┘ └────┘ └────┘ └────┘
每个对象大小相同（如 task_struct）

优势：零内部碎片、对象复用避免反复初始化、分配极快。

Linux 内存分配全景

• 用户态 malloc()：小块用 brk() 扩展堆，大块（>128KB）用 mmap() 映射匿名页
• 内核态：伙伴系统管理物理页，Slab 管理小对象

生产高频题

内部碎片和外部碎片的区别？

内部碎片：分配的内存大于实际需要（分页多余部分）。外部碎片：空闲内存总量够但不连续（分段中常见）。

Linux 如何管理物理内存？

伙伴系统管理物理页帧（按2的幂次分配），Slab 分配器管理内核小对象（在伙伴系统之上）。