内存管理之slab分配器

基本思想

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。

说明：

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_full -  完全分配的 slab

            slabs_partial - 部分分配的 slab

            slabs_empty - 空 slab，或者没有对象被分配

      slabs_empty 列表中的 slab 是进行回收（reaping）的主要备选对象。正是通过此过程，slab 所使用的内存被返回给操作系统供其他用户使用。

      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。

      由于对象是从 slab 中进行分配和释放的，因此单个 slab 可以在 slab 列表之间进行移动。例如，当一个 slab 中的所有对象都被使用完时，就从 slabs_partial 列表中移动到 slabs_full 列表中。当一个 slab 完全被分配并且有对象被释放后，就从 slabs_full 列表中移动到 slabs_partial 列表中。当所有对象都被释放之后，就从 slabs_partial 列表移动到 slabs_empty 列表中。

API 函数

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-linux-slab-allocator/index.html

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;

然后其他 slab 缓存函数将使用该引用进行创建、删除、分配等操作。kmem_cache 结构包含了每个中央处理器单元（CPU）的数据、一组可调整的（可以通过 proc 文件系统访问）参数、统计信息和管理 slab 缓存所必须的元素。

kmem_cache_create

内核函数 kmem_cache_create 用来创建一个新缓存。这通常是在内核初始化时执行的，或者在首次加载内核模块时执行。其原型定义如下：

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));

name 参数定义了缓存名称，proc 文件系统（在 /proc/slabinfo 中）使用它标识这个缓存。

size 参数指定了为这个缓存创建的对象的大小， align 参数定义了每个对象必需的对齐。 flags 参数指定了为缓存启用的选项。这些标志如表 1 所示。

            ctor 和 dtor 参数定义了一个可选的对象构造器和析构器。构造器和析构器是用户提供的回调函数。当从缓存中分配新对象时，可以通过构造器进行初始化。

在创建缓存之后， kmem_cache_create 函数会返回对它的引用。注意这个函数并没有向缓存分配任何内存。相反，在试图从缓存（最初为空）分配对象时，refill 操作将内存分配给它。当所有对象都被使用掉时，也可以通过相同的操作向缓存添加内存。

kmem_cache_destroy

内核函数 kmem_cache_destroy 用来销毁缓存。这个调用是由内核模块在被卸载时执行的。在调用这个函数时，缓存必须为空。

void kmem_cache_destroy( struct kmem_cache *cachep );

kmem_cache_alloc

要从一个命名的缓存中分配一个对象，可以使用 kmem_cache_alloc 函数。调用者提供了从中分配对象的缓存以及一组标志：

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

这个函数从缓存中返回一个对象。注意如果缓存目前为空，那么这个函数就会调用 cache_alloc_refill 向缓存中增加内存。 kmem_cache_alloc 的 flags 选项与 kmalloc 的 flags 选项相同。 给出了标志选项的部分列表。

kmem_cache_zalloc

内核函数 kmem_cache_zalloc 与 kmem_cache_alloc 类似，只不过它对对象执行 memset 操作，用来在将对象返回调用者之前对其进行清除操作。

kmem_cache_free

要将一个对象释放回 slab，可以使用 kmem_cache_free。调用者提供了缓存引用和要释放的对象。

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

kmalloc 和 kfree

内核中最常用的内存管理函数是 kmalloc 和 kfree 函数。这两个函数的原型如下：

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

注意在 kmalloc 中，惟一两个参数是要分配的对象的大小和一组标志（请参看 表 2 中的部分列表）。但是 kmalloc 和 kfree 使用了类似于前面定义的函数的 slab 缓存。kmalloc 没有为要从中分配对象的某个 slab 缓存命名，而是循环遍历可用缓存来查找可以满足大小限制的缓存。找到之后，就（使用 __kmem_cache_alloc）分配一个对象。要使用 kfree 释放对象，从中分配对象的缓存可以通过调用 virt_to_cache 确定。这个函数会返回一个缓存引用，然后在
__cache_free 调用中使用该引用释放对象。

其他函数

slab 缓存 API 还提供了其他一些非常有用的函数。 kmem_cache_size 函数会返回这个缓存所管理的对象的大小。您也可以通过调用 kmem_cache_name 来检索给定缓存的名称（在创建缓存时定义）。缓存可以通过释放其中的空闲 slab 进行收缩。这可以通过调用 kmem_cache_shrink 实现。注意这个操作（称为回收）是由内核定期自动执行的（通过 kswapd）。

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 );