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Linux 内核 - GPU Buddy 分配物理连续内存的巧思

2026-08-21 11:07:58

GPU Buddy 是现代显卡主流物理内存分配器，基于经典伙伴系统（Buddy System）做二分拆分与合并，具备碎片控制好、元数据开销低的优势，常用来管理显卡 VRAM 物理连续内存。

GPU Buddy 同样支持连续物理内存分配，但在长期运行后 VRAM 碎片化会引发内存伪不足问题：总空闲内存充足，但无法分配出指定尺寸连续内存。

本篇文章，我们主要是关心这个连续物理内存分配能力。会重点分析一下 2023 年，AMD 工程师提交的一笔优化补丁，补丁名称为：drm/buddy: Improve contiguous memory allocation，优化目标是解决碎片场景下，物理内存分配伪不足问题。

什么是伪不足？先来看一下原生内核策略中的缺陷

原生 drm buddy 连续内存分配的核心规则：

分配请求尺寸强制用 roundup_power_of_two() 向上对齐到最近 2 的幂阶整块

直接查找对应 order 的完整空闲高阶伙伴块；若无整块空闲，直接返回 -ENOSPC，不再做进一步尝试

最小管理粒度 4K

以上面示意图为例的话，在原始内核中当我们的分配请求大小为 28K 时，分配器默认的行为是先将请求进行 order size 对齐至 32K（order=5），随着 GPU 的长时间使用，许多内存块被 split 后使用，大块长连续内存将变得不再可得，所以在当前状态下内存分配请求将无法被满足。

但实际上，我们从图中也能看得到，符合要求的物理空间是存在的，但在 GPU Buddy 管理器上并不能直接体现出来。为了优化解决这个问题，文章最前面提到的 contiguous 分配算法应运而生。

contiguous 连续内存分配算法原理

这个补丁新增 __alloc_contig_try_harder 后备路径，通过 DRM_BUDDY_CONTIGUOUS_ALLOCATION 标志触发，不再只依赖单一整块分配，而是在一块大空闲块内，同时尝试从RHS（右侧）和 LHS（左侧）逐步分段分配、拼接出满足精确尺寸和对齐要求的连续区域，把左右两侧可用空闲子块组合成一条物理连续内存，不再必须占用一整个高阶伙伴块。

常规内存请求仍走原有 buddy 路径保证性能，仅原生查找失败时才进入 try_harder 分支；算法会校验地址对齐与总长度，逐段锁定对应子块，同时维护原有 buddy 元数据结构，后续释放时可正常拆分回收、回归伙伴系统管理。

该方案可在碎片 VRAM 环境里提升大连续内存分配成功率，减少不必要内存浪费，但仅适用于同一块大空闲块内部的左右子块合并，无法跨完全不相邻的内存区域拼接，存在少量额外扫描开销，属于专用连续内存分配 fallback 逻辑而非全局默认模式。

对应到核心代码段：

list = &mm->free_list[order];if (list_empty(list))    return -ENOSPC;list_for_each_entry_reverse(block, list, link) {    /* Allocate blocks traversing RHS */    rhs_offset = drm_buddy_block_offset(block);    err =  __drm_buddy_alloc_range(mm, rhs_offset, size,                       &filled, blocks);    if (!err || err != -ENOSPC)        return err;    lhs_size = max((size - filled), min_block_size);    if (!IS_ALIGNED(lhs_size, min_block_size))        lhs_size = round_up(lhs_size, min_block_size);    /* Allocate blocks traversing LHS */    lhs_offset = drm_buddy_block_offset(block) - lhs_size;    err =  __drm_buddy_alloc_range(mm, lhs_offset, lhs_size,                       NULL, &blocks_lhs);    if (!err) {        list_splice(&blocks_lhs, blocks);        return 0;    }}

仍按照刚刚的场景为例的话，新算法会从order 2（order 0111B 首位）处的 Block 尝试 RHS继续搜寻，直至匹配成功。

最小管理粒度 4K

参考资料：
https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/next/linux-next.git/commit/drivers/gpu/drm/drm_buddy.c?id=0a1844bf0b532d84324453374ad6845f64066c28