简介： 良好的操作系统性能部分依赖于操作系统有效管理资源的能力。在过去，堆内存管理器是实际的规范，但是其性能会受到内存碎片和内存回收需求的影响。现在，Linux® 内核使用了源自于 Solaris 的一种方法，但是这种方法在嵌入式系统中已经使用了很长时间了，它是将内存作为对象按照大小进行分配。本文将探索 slab 分配器背后所采用的思想，并介绍这种方法提供的接口和用法。

动态内存管理
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）
mutex_initcache_chaincache_chainkmem_cache

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_partialslabs_partialslabs_empty

slab 背后的动机

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。

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API 函数

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：

kmem_cache

kmem_cache_create

kmem_cache_create
namesizealignflags


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

ctordtor
kmem_cache_create

kmem_cache_destroy

kmem_cache_destroy
void kmem_cache_destroy( struct kmem_cache *cachep );

kmem_cache_alloc

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

kmem_cache_zalloc

kmem_cache_zallockmem_cache_allocmemset

kmem_cache_free

kmem_cache_free

kmalloc 和 kfree

kmallockfree
kmallockmallockfreekmalloc__kmem_cache_allockfreevirt_to_cache__cache_free

其他函数

kmem_cache_sizekmem_cache_namekmem_cache_shrinkkswapd

slab 缓存的示例用法

kmem_cacheSLAB_HWCACHE_ALIGN

清单 1. 创建新 slab 缓存

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

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

slab 的 proc 接口

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”）：

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。

SLOB 分配器

CONFIG_SLAB

结束语

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