伙伴系统是一种高效的内存分配算法，主要用于Linux内核中管理物理内存，通过将内存块划分为2的幂次结构来减少内存碎片。以下是其核心要点：

一、基本原理

内存分块策略

所有空闲内存页被划分为大小为2的幂次方块（如1KB、2KB、4KB等）。当需要分配内存时，系统会找到第一个大于或等于请求大小的内存块，并将其分裂成两个相等的伙伴块，其中一半分配给请求，另一半保持空闲。

动态调整与合并

若后续释放的内存块与其伙伴块均为空闲，则这两个块会合并成一个更大的空闲块，以减少碎片。

这种“分裂-合并”机制确保了分配的内存块始终是2的幂次，便于管理。

二、核心结构

free_area结构：

每个空闲内存块由一个`struct free_area`实例管理，包含指向伙伴链的指针，用于快速合并相邻空闲块。

zone结构：每个内存区域（如进程地址空间）包含一个`free_area`数组，记录该区域的空闲块信息。

三、优势与特点

减少外部碎片

通过合并相邻空闲块，伙伴系统有效避免了外部碎片问题，提高了内存利用率。

分配效率较高

由于内存块大小为2的幂次，查找和分配操作的时间复杂度为O（log n），性能优于其他简单分配算法。

兼容性

同时适用于32位和64位Linux系统，利用了不同架构的页表机制。

四、局限性

内部碎片问题：

当内存中存在大量小块空闲内存时，仍可能产生内部碎片，需配合slab分配器进一步优化。

块大小限制：最小分配单元为系统页面大小（如4KB），无法满足大于该值的精确分配需求。

五、应用场景

主要应用于Linux内核的内存管理，确保系统进程高效运行。对于普通应用程序，现代操作系统通常采用更复杂的分配器（如SLAB）来平衡性能与碎片控制。

以上内容综合了Linux内核实现细节与经典算法描述，涵盖伙伴系统的主要原理、结构及实际应用。