内存管理-伙伴系统：__find_buddy_pfn 函数解析与伙伴查找机制

内存管理-伙伴系统：__find_buddy_pfn 函数解析与伙伴查找机制

伙伴系统合并机制概述

伙伴系统的核心价值在于通过空闲块的合并减少内存碎片，而合并的前提是精准定位当前块的“伙伴”。__find_buddy_pfn函数的作用正是计算给定页帧号（Page Frame Number, pfn）在指定阶（order）下的伙伴页帧号。仅当伙伴块与当前块阶数相同且均为空闲状态时，才会触发后续的合并逻辑。

linux-5.10.202/mm/page_alloc.c:1018buddy_pfn=__find_buddy_pfn(pfn,order);// 相邻的伙伴块，按照 ^ (1 << order) 计算

__find_buddy_pfn 函数解析

__find_buddy_pfn是一个静态内联函数，通过位异或运算实现伙伴页帧号的快速计算，其源码与注释如下：

linux-5.10.202/mm/internal.h:156/* * Locate the struct page for both the matching buddy in our * pair (buddy1) and the combined O(n+1) page they form (page). * * 1) Any buddy B1 will have an order O twin B2 which satisfies * the following equation: * B2 = B1 ^ (1 << O) * For example, if the starting buddy (buddy2) is #8 its order * 1 buddy is #10: * B2 = 8 ^ (1 << 1) = 8 ^ 2 = 10 * * 2) Any buddy B will have an order O+1 parent P which * satisfies the following equation: * P = B & ~(1 << O) * * Assumption: *_mem_map is contiguous at least up to MAX_ORDER */staticinlineunsignedlong__find_buddy_pfn(unsignedlongpage_pfn,unsignedintorder){returnpage_pfn^(1<<order);}

以 pfn 8（二进制1000）、order 1 为例：该块包含连续 2 个页（pfn 8 和 9）。通过位异或运算8 ^ (1 << 1)，得到伙伴页帧号为 10，对应块包含 pfn 10 和 11。后续逻辑会验证伙伴块是否处于相同阶且空闲，若满足则合并为 order 2 的块。

伙伴系统初始化时的块分配规则

伙伴系统初始化通过__free_pages_memory函数将内存块按阶对齐规则加入空闲链表，确保每个块的起始 pfn 是2^order的整数倍。源码如下：

linux-5.10.202/mm/memblock.c:1900staticvoid__init__free_pages_memory(unsignedlongstart,unsignedlongend)// 伙伴系统初始化，会按照 page 的 pfn 按阶存放 每个阶存档的page地址一定是 2**n 对齐{intorder;while(start<end){order=min(MAX_ORDER-1UL,__ffs(start));// ffs 第一个有 1 的 bit 位置 - 1，相当于根据 pfn 地址确定 orderwhile(start+(1UL<<order)>end)// 和 1912 行的 start += (1UL << order); 有联系，如果有连续大块，放到对应 orderorder--;memblock_free_pages(pfn_to_page(start),start,order);// 加入到伙伴系统start+=(1UL<<order);}}

函数逻辑拆解：

1. __ffs(start)返回start二进制表示中第一个置 1 位的位置（从 0 计数），用于确定初始阶数；
2. 通过内层循环动态降低阶数，确保块大小(1 << order)不超过剩余内存范围（start到end）；
3. 调用memblock_free_pages将对齐后的块加入伙伴系统，并更新start指针处理下一段内存。

实例分析

以 pfn 1 到 13（共 12 个连续页）为例，展示初始化时的块分配逻辑：

合并场景补充

若 pfn 3 变为 0 阶并释放，其伙伴为 pfn 2（计算：3 ^ (1 << 0) = 2），二者可合并为 1 阶块；同理，pfn 4 和 5 在 0 阶互为伙伴，合并为 1 阶后，可与 pfn 6-7 组成的 1 阶块进一步合并为 2 阶块（计算：4 ^ (1 << 1) = 6）。

总结

1. 伙伴查找核心机制：__find_buddy_pfn通过page_pfn ^ (1 << order)位异或运算，快速定位物理地址连续且对齐的伙伴页帧号，是伙伴系统合并逻辑的基础。
2. 初始化对齐规则：__free_pages_memory利用__ffs确定初始阶数，动态调整以适配内存范围，确保每个块按2^order对齐加入伙伴系统，为后续合并创造条件。
3. 合并逻辑约束：仅当伙伴块阶数相同且均为空闲时，才会触发合并，通过逐步提升阶数有效减少内存碎片。