Linux系统内存管理算法Buddy及排查内存碎片化的方法

1. /proc/buddyinfo/proc/buddyinfo 是 Linux 内核导出的调试文件用于输出每个 NUMA 节点、每个内存 Zone 下各个 order 的空闲内存块数量是分析物理内存外部碎片的核心工具。事例输出如下Node 0, zone DMA 1 0 1 0 2 1 1 0 1 1 3 Node 0, zone DMA32 423 285 138 72 38 17 8 3 1 1 0 Node 0, zone Normal 1823 921 455 227 112 56 27 13 6 2 0Node XNUMA 节点编号单 CPU 机器一般只有 Node 0多 CPU 机器会有多个节点。zone 内存域1、DMA老式设备使用的低端内存x86_64 架构下几乎闲置2、DMA320-4GB 物理内存供32位 DMA 硬件设备使用3、 Normal系统应用、内核主要使用的内存区域是内存分配的核心区域。后续11列数字对应 order0 ~ order10 的空闲内存块计数具体对应关系如下表。order页数4K 页大小014KB128KB2416KB3832KB41664KB532128KB664256KB7128512KB82561MB95122MB1010244MB碎片特征低 order0-4空闲块数量多高阶5-10空闲块为0此时系统整体内存充足但无法分配连续物理内存易导致 DMA 分配、HugePage 分配失败。2. Buddy 伙伴系统基础概念Buddy 伙伴系统是 Linux 内核底层的物理页分配器核心作用是分配连续物理内存页DMA-BUF、设备驱动、HugePage、SLUB 等模块均依赖其实现内存分配。order阶内存块大小固定为 2^order 个物理页默认4KB/页order 取值范围通常为0-10。free_area[] 数组每个内存 Zone 维护一个 free_area[MAX_ORDER] 数组其中 free_area[o] 是一个链表用于存储所有 ordero 的空闲内存块。3. Buddy 分配流程核心逻辑若目标阶数无空闲块则向上寻找更高阶的空闲大块将其对半拆分多余的小块放回对应阶数的空闲链表直到得到目标大小的内存块。是否否是不存在存在是否开始分配目标order nfree_area[n] 是否存在空闲块?取出空闲块标记已占用返回page分配结束o n 1o MAX_ORDER?执行内存compaction压缩压缩失败触发OOM返回NULLfree_area[o] 是否存在空闲块?o o 1取出ordero大块o n ?对半拆分为两块 ordero‑1后半块插入 free_area[o‑1]o o - 1剩余块标记已占用返回page4. Buddy 释放与伙伴合并流程核心逻辑归还内存块后循环查找其伙伴块若伙伴块满足空闲条件则合并为更高阶的大块持续向上合并直到无法合并最终将合并后的块插入对应阶数的空闲链表以此缓解外部碎片。不满足满足释放page传入order o标记page为空闲计算伙伴块地址 buddy_addr伙伴是否空闲同zone伙伴order o将当前块插入 free_area[o]释放完成伙伴块从free_area[o]链表摘除两块合并为 order o1 的大块o o 15. 内核内存层级Linux 内核内存管理采用分层架构Buddy 伙伴系统处于底层为上层分配器提供连续物理内存具体层级关系如下内核用户态malloc / mmapSLUB/SLAB 小对象分配器解决Buddy内部碎片Buddy伙伴系统分配连续物理页硬件物理内存驱动 / DMA‑BUF / HugePage6. Buddy 优缺点优点基于链表操作内存分配与释放速度快释放时自动合并伙伴块有效缓解外部碎片专门输出连续物理内存适配硬件 DMA、大页等场景需求。缺点存在内部碎片只能分配2的幂次页数若需求内存不匹配会产生内存浪费如申请5KB 内存需分配8KB 块若伙伴块持续被占用无法触发合并仍会产生外部碎片释放时 order 参数传错会直接破坏内存结构稳定性要求高。最佳实践内核小对象如 task_struct、file 等不直接调用 Buddy交由 SLUB/SLAB 层处理避免内部碎片浪费。