Linux内存管理之slab分配器分析

一：准备知识：

前面我们分析过了大内存分配的实现机制，事实上,若为小块内存而请求整个页面，这样对于内存来说是一种极度的浪费。因此linux采用了slab来管理小块内存的分配与释放。Slab最早是由sun的工程师提出。它的提出是基于以下因素考虑的：

1：内核函数经常倾向于反复请求相同的数据类型。比如：创建进程时，会请求一块内存来存放mm结构。

2：不同的结构使用不同的分配方法可以提高效率。同样，如果进程在撤消的时候，内核不把mm结构释放掉，而是存放到一个缓冲区里，以后若有请求mm存储空间的行为就可以直接从缓冲区中取得，而不需重新分配内存.

3:前面我们曾分析过，如果伙伴系统频繁分配，释放内存会影响系统的效率，以此，可以把要释放到的内存放到缓冲区中，直至超过一个阀值才把它释放至伙伴系统，这样可以在一定程度上缓减减伙伴系统的压力

4:为了缓减“内碎片”的产生，通常可以把小内存块按照2的倍数组织在一起，这一点和伙伴系统类似

二：slab分配器概貌：

Slab将缓存分为两种：一种是专用高速缓存，另外一种是普通高速缓存。请注意，这里所说的高速缓存和硬件没有必然的关系，它只是slab分配器中的一个软件概念。

专用高速缓存中用来存放内核使用的数据结构，例如：mm,skb,vm等等

普通高速缓存是指存放一般的数据，比如内核为指针分配一段内存

所有的高速缓存区都通过链表的方式组织在一起，它的首结点是cache_chain

另外，普通高速缓存将分配区分为32*(2^0),32*(2^1),32*(2^2) ….32*(2^12)大小，共13个区域大小，另外，每个大小均有两个高速缓存，一个为DMA高速缓存，一个是常规高速缓存。它们都存放在一个名这cache_size的表中.

Slab分配器把每一个请求的内存称之为对象（和oop设计方法中的对象类似，都有初始化与析构）.对象又存放在slab中.slab又按照空，末满，全满全部链接至高速缓存中.如下图所示：

 

三：slab分配器相关的数据结构：

缓冲区

 

   slab

 

 

 

  slab

 

 

 

 

 

对象

 

高速缓存：

typedef struct kmem_cache_s kmem_cache_t;

struct kmem_cache_s {

struct array_cache *array[NR_CPUS];/*per cpu结构，每次分配与释放的时候都先从这里取值与存值*/

unsigned int       batchcount;  /*array[NR_CPUS]中没有空闲对象时，一次为数组所分配的对象数*/

unsigned int       limit;   /* array[NR_CPUS]中所允许的最大空闲数 */

struct kmem_list3  lists;   /*将在后面分析*/

unsigned int       objsize; /*slab中的对象大小*/

     unsigned int      flags;   /* cache标志*/

     unsigned int       num; /*每个slab中的对象数量 */

     unsigned int       free_limit; /* upper limit of objects in the lists */

     spinlock_t         spinlock;

     unsigned int       gfporder; /*2^gfporder即为cache中slab的大小*/

     unsigned int       gfpflags;

 

     size_t             colour;       /*着色机制，后面会详细分析 */

     unsigned int       colour_off;   /* colour offset */

     unsigned int       colour_next;  /* cache colouring */

     kmem_cache_t       *slabp_cache;/*slab描述符放在缓存区外面时，此值指向描述符在普通缓存区中的位置*/

     unsigned int       slab_size;  /*每一个slab的大小*/

     unsigned int       dflags;       /* dynamic flags */

     void (*ctor)(void *, kmem_cache_t *, unsigned long); /*构造函数*/

     void (*dtor)(void *, kmem_cache_t *, unsigned long); /*析构函数*/

     const char         *name; /*cache的名字*/

     struct list_head   next; /*下一个cache 用来构成链表*/

 

/* 5) statistics */

#if STATS

     unsigned long      num_active;

     unsigned long      num_allocations;

     unsigned long      high_mark;

     unsigned long      grown;

     unsigned long      reaped;

     unsigned long          errors;

     unsigned long      max_freeable;

     atomic_t      allochit;

     atomic_t      allocmiss;

     atomic_t      freehit;

     atomic_t      freemiss;

#endif

#if DEBUG

     int           dbghead;

     int           reallen;

#endif

}

这里值得注意的地方是，与2.4相比，slab部份的结构与成员位置发生了很大改变。一般来说经常用的成员放在结构体的前面。后面会解述为什么。