Linux内存管理： Slab Allocator 分配器剖析:了解 Linux 内存管理的方式

内存管理的目标是提供一种方法，为实现各种目的而在各个用户之间实现内存共享。内存管理方法应该实现以下两个功能：

• 最小化管理内存所需的时间
• 最大化用于一般应用的可用内存（最小化管理开销）

内存管理实际上是一种关于权衡的零和游戏。您可以开发一种使用少量内存进行管理的算法，但是要花费更多时间来管理可用内存。也可以开发一个算法来有效地管理内存，但却要使用更多的内存。最终，特定应用程序的需求将促使对这种权衡作出选择。

每个内存管理器都使用了一种基于堆的分配策略。在这种方法中，大块内存（称为 堆）用来为用户定义的目的提供内存。当用户需要一块内存时，就请求给自己分配一定大小的内存。堆管理器会查看可用内存的情况（使用特定算法）并返回一块内存。搜索过程中使用的一些算法有 first-fit（在堆中搜索到的第一个满足请求的内存块）和 best-fit（使用堆中满足请求的最合适的内存块）。当用户使用完内存后，就将内存返回给堆。

这种基于堆的分配策略的根本问题是碎片（fragmentation）。当内存块被分配后，它们会以不同的顺序在不同的时间返回。这样会在堆中留下一些洞，需要花一些时间才能有效地管理空闲内存。这种算法通常具有较高的内存使用效率（分配需要的内存），但是却需要花费更多时间来对堆进行管理。

另外一种方法称为 buddy memory allocation，是一种更快的内存分配技术，它将内存划分为 2 的幂次方个分区，并使用 best-fit 方法来分配内存请求。当用户释放内存时，就会检查 buddy 块，查看其相邻的内存块是否也已经被释放。如果是的话，将合并内存块以最小化内存碎片。这个算法的时间效率更高，但是由于使用 best-fit 方法的缘故，会产生内存浪费。

本文将着重介绍 Linux 内核的内存管理，尤其是 slab 分配提供的机制。

mutex_init

Linux slab 分配器使用了这种思想和其他一些思想来构建一个在空间和时间上都具有高效性的内存分配器。

cache_chaincache_chainkmem_cache

图 1. slab 分配器的主要结构

每个缓存都包含了一个 slabs 列表，这是一段连续的内存块（通常都是页面）。存在 3 种 slab：

slabs_fullslabs_partialslabs_empty

slabs_empty

slab 列表中的每个 slab 都是一个连续的内存块（一个或多个连续页），它们被划分成一个个对象。这些对象是从特定缓存中进行分配和释放的基本元素。注意 slab 是 slab 分配器进行操作的最小分配单位，因此如果需要对 slab 进行扩展，这也就是所扩展的最小值。通常来说，每个 slab 被分配为多个对象。

slabs_partialslabs_fullslabs_fullslabs_partial
slabs_partialslabs_empty

与传统的内存管理模式相比， slab 缓存分配器提供了很多优点。首先，内核通常依赖于对小对象的分配，它们会在系统生命周期内进行无数次分配。slab 缓存分配器通过对类似大小的对象进行缓存而提供这种功能，从而避免了常见的碎片问题。slab 分配器还支持通用对象的初始化，从而避免了为同一目而对一个对象重复进行初始化。最后，slab 分配器还可以支持硬件缓存对齐和着色，这允许不同缓存中的对象占用相同的缓存行，从而提高缓存的利用率并获得更好的性能。

现在来看一下能够创建新 slab 缓存、向缓存中增加内存、销毁缓存的应用程序接口（API）以及 slab 中对对象进行分配和释放操作的函数。

第一个步骤是创建 slab 缓存结构，您可以将其静态创建为：

struct struct kmem_cache *my_cachep;

kmem_cache

kmem_cache_create

struct kmem_cache *
kmem_cache_create( const char *name, size_t size, size_t align,
                       unsigned long flags;
                       void (*ctor)(void*, struct kmem_cache *, unsigned long),
                       void (*dtor)(void*, struct kmem_cache *, unsigned long));

namesizealignflags

表 1. kmem_cache_create 的部分选项（在 flags 参数中指定）

选项	说明
SLAB_RED_ZONE	在对象头、尾插入标志，用来支持对缓冲区溢出的检查。
SLAB_POISON	使用一种己知模式填充 slab，允许对缓存中的对象进行监视（对象属对象所有，不过可以在外部进行修改）。
SLAB_HWCACHE_ALIGN	指定缓存对象必须与硬件缓存行对齐。

ctordtor

kmem_cache_create

kmem_cache_destroy

void kmem_cache_destroy( struct kmem_cache *cachep );

kmem_cache_alloc

void kmem_cache_alloc( struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags );

cache_alloc_refillkmem_cache_allockmalloc

表 2. kmem_cache_alloc 和 kmalloc 内核函数的标志选项

标志	说明
GFP_USER	为用户分配内存（这个调用可能会睡眠）。
GFP_KERNEL	从内核 RAM 中分配内存（这个调用可能会睡眠）。
GFP_ATOMIC	使该调用强制处于非睡眠状态（对中断处理程序非常有用）。
GFP_HIGHUSER	从高端内存中分配内存。

kmem_cache_zallockmem_cache_allocmemset

kmem_cache_free

void kmem_cache_free( struct kmem_cache *cachep, void *objp );

kmallockfree

void *kmalloc( size_t size, int flags );
void kfree( const void *objp );

kmallockmallockfreekmalloc__kmem_cache_allockfreevirt_to_cache__cache_free

kmem_cache_sizekmem_cache_namekmem_cache_shrinkkswapd

unsigned int kmem_cache_size( struct kmem_cache *cachep );
const char *kmem_cache_name( struct kmem_cache *cachep );
int kmem_cache_shrink( struct kmem_cache *cachep );

kmem_cacheSLAB_HWCACHE_ALIGN

清单 1. 创建新 slab 缓存

				
static struct kmem_cache *my_cachep;

static void init_my_cache( void )
{

   my_cachep = kmem_cache_create( 
                  "my_cache",            /* Name */
                  32,                    /* Object Size */
                  0,                     /* Alignment */
                  SLAB_HWCACHE_ALIGN,    /* Flags */
                  NULL, NULL );          /* Constructor/Deconstructor */

   return;
}

使用所分配的 slab 缓存，您现在可以从中分配一个对象了。清单 2 给出了一个从缓存中分配和释放对象的例子。它还展示了两个其他函数的用法。

清单 2. 分配和释放对象

				
int slab_test( void )
{
  void *object;

  printk( "Cache name is %s\n", kmem_cache_name( my_cachep ) );
  printk( "Cache object size is %d\n", kmem_cache_size( my_cachep ) );

  object = kmem_cache_alloc( my_cachep, GFP_KERNEL );

  if (object) {

    kmem_cache_free( my_cachep, object );

  }

  return 0;
}

最后，清单 3 演示了 slab 缓存的销毁。调用者必须确保在执行销毁操作过程中，不要从缓存中分配对象。

清单 3. 销毁 slab 缓存

				
static void remove_my_cache( void )
{

  if (my_cachep) kmem_cache_destroy( my_cachep );

  return;
}

proc 文件系统提供了一种简单的方法来监视系统中所有活动的 slab 缓存。这个文件称为 /proc/slabinfo，它除了提供一些可以从用户空间访问的可调整参数之外，还提供了有关所有 slab 缓存的详细信息。当前版本的 slabinfo 提供了一个标题，这样输出结果就更具可读性。对于系统中的每个 slab 缓存来说，这个文件提供了对象数量、活动对象数量以及对象大小的信息（除了每个 slab 的对象和页面之外）。另外还提供了一组可调整的参数和 slab 数据。

要调优特定的 slab 缓存，可以简单地向 /proc/slabinfo 文件中以字符串的形式回转 slab 缓存名称和 3 个可调整的参数。下面的例子展示了如何增加 limit 和 batchcount 的值，而保留 shared factor 不变（格式为 “cache name limit batchcount shared factor”）：

# echo "my_cache 128 64 8" > /proc/slabinfo
			

limitbatchcountshared

注意您必须具有超级用户的特权才能在 proc 文件系统中为 slab 缓存调优参数。

CONFIG_SLAB

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