内核分配器的功能

在操作系统管理的虚拟内存中，用于内存管理的最小单位是页，大多数传统的架构是4KB。由于进程每次申请分配4KB是不现实的，比如分配几个字节或几十个字节，这时需要中间机制来管理页面的微型内存。
为此，内核实现了一个分配器来管理页中碎片内存的分配和回收。可以把分配器理解为一个零售供应商：它收购大量的库存（4KB大小的页），然后在模块需要时分成小块出售。这种分配的基本版就是SLAB。

SLAB

当内核子系统为对象请求、释放数据时，主要的开销在于初始化、销毁过程，而不是为对象分配的内存。如果有一组经常使用的内核对象，那么可以将它们保存在一个可快速使用的地方，使整个过程更有效率。
这就是SLAB的原理：分配器跟踪这些块，称为缓存，当收到为某种类型的数据对象分配内存的请求时，它可以立即使用已经分配过的来满足请求。这种情况下，SLAB是内存中包含预先分配的内存块的一个或多个连续页面。
SLAB可能存在以下状态之一：

  • empty：SLAB中所有对象都是空闲的
  • partial：SLAB中包含被分配的对象和空闲对象
  • full：SLAB中所有对象都被分配

分配器的目的是尽可能快的处理请求，因此跟踪过程至关重要，这个过程通过缓存完成，而每种对象类型都有一个缓存。

SLUB

SLUB是SLAB的变体，旨在实现更好的调试、更少的碎片和更好的性能。它沿用SLAB的基本功能，优化了SLAB中多处理器的设计缺陷。自从2008年Linux 2.6.23以来SLUB被设置为默认分配器。

接下来会观察SLUB的实现细节，并通过常用的场景给出示例。

SLAB中的对象通过链表互相连接，这样分配器总是可以找到下一个空闲对象，而不需要关心已经使用的数据：

SLUB和SLAB不同：指向下一个空闲对象的指针直接存储在对象本身内部的结构体中，并不需要额外的内存空间进行存储，且保证SLAB功能100%的利用效率。在某些特殊情况，指针存储在对象结构体中的一个偏移量里面，这根据不同平台的CPU而定。

objsizeoffsetsize
kmem_cache

/* * Slab cache management. */ struct kmem_cache { struct kmem_cache_cpu __percpu *cpu_slab; /* Used for retrieving partial slabs, etc. */ slab_flags_t flags; unsigned long min_partial; unsigned int size; /* The size of an object including metadata */ unsigned int object_size;/* The size of an object without metadata */ unsigned int offset; /* Free pointer offset */ ...... struct kmem_cache_node *node[MAX_NUMNODES]; }

kmem_cachekmem_cacheslab_cachesslab_caches

extern struct list_head slab_caches; // list_head用于管理双向链表

kmem_cachekmem_cache_nodestruct kmem_cache_node *node[MAX_NUMNODES]kmem_cache_cpustruct kmem_cache_cpu __percpu *cpu_slab
kmem_cache
例子 
kmem_cachekmem_cache_cpufreelistfreelist

  • 分配即将满的对象

    返回最后一个对象后，已填满的页面将移动到full list中，将另一个partial list置为活动的slab：

  • 申请即将满的partial list里面的对象，并且没有其他partial list时

    返回最后一个活动的对象之后，已填满的页会放入full list，然后系统分配一个全新的slab成为活动slab：

  • 普通释放

    当释放一个属于partial list（或活动）的对象时，SLUB只是将其标记为空闲并更新指针：

  • 释放即将为empty list的对象

    当释放属于partial list的最后一个对象时，slab被释放，交给内存管理单元：

  • 在full list里面释放

    当释放full list里面的对象时，释放后它不再是full list，将其放入partial list：