操作系统 -- SLAB如何分配内存

在Linux系统中比页更小的内存对象要怎么分配呢？ -- SLAB，学习下SLAB分配器的原理和实现

SLAB

与Cosmos物理页面管理器一样，Linux中的伙伴系统是以页面为最小单位分配到，现实更多要以内核对象为单位分配内存，其实更具体一点说，就是根据内核对象的实例变量大小来申请和释放内存空间，这些数据结构实例变量的大小通常从几十字节到几百字节不等，远远小于一个页面的大小。

如果一个几十字节大小的数据结构实例变量，就要为此分配一个页面，这无疑是对宝贵物理内存的一种巨大浪费，因此一个更好的技术方案应运而生，就是 Slab 分配器（由 Sun 公司的雇员 Jeff Bonwick 在 Solaris 2.4 中设计并实现）。

走进SLAB对象

何为 SLAB 对象？

在 SLAB 分配器中，它把一个内存页面或者一组连续的内存页面，划分成大小相同的块，其中这一个小的内存块就是 SLAB 对象，但是这一组连续的内存页面中不只是 SLAB 对象，还有 SLAB 管理头和着色区。

SLAB示意图：

上图中有一个内存页面和两个内存页面的 SLAB，还有着色区。

何为着色区

这个着色区也是一块动态的内存块，建立 SLAB 时才会设置它的大小，目的是为了错开不同 SLAB 中的对象地址，降低硬件 Cache 行中的地址争用，以免导致 Cache 抖动效应，整个系统性能下降。

SLAB 头其实是一个数据结构，但是它不一定放在保存对象内存页面的开始。通常会有一个保存 SLAB 管理头的 SLAB，在 Linux 中，SLAB 管理头用 kmem_cache 结构来表示，代码如下。

struct array_cache {
    unsigned int avail;
    unsigned int limit;
    void *entry[];
};
struct kmem_cache {
    //是每个CPU一个array_cache类型的变量，cpu_cache是用于管理空闲对象的
    struct array_cache __percpu *cpu_cache;
    unsigned int size; //cache大小
    slab_flags_t flags;//slab标志
    unsigned int num;//对象个数
    unsigned int gfporder;//分配内存页面的order
    gfp_t allocflags;
    size_t colour;//着色区大小
    unsigned int colour_off;//着色区的开始偏移
    const char *name;//本SLAB的名字
    struct list_head list;//所有的SLAB都要链接起来
    int refcount;//引用计数
    int object_size;//对象大小
    int align;//对齐大小
    struct kmem_cache_node *node[MAX_NUMNODES];//指向管理kmemcache的上层结构
};

上述代码中，有多少个 CPU，就会有多少个 array_cache 类型的变量。这种为每个 CPU 构造一个变量副本的同步机制，就是每 CPU 变量（per-cpu-variable）。array_cache 结构中"entry[]"表示了一个遵循 LIFO 顺序的数组，"avail"和"limit"分别指定了当前可用对象的数目和允许容纳对象的最大数目。

kmem_cache结构图解：

第一个kmem_cache

第一个 kmem_cache 是哪里来的呢？其实它是静态定义在代码中的，如下所示。

static struct kmem_cache kmem_cache_boot = {
    .batchcount = 1,
    .limit = BOOT_CPUCACHE_ENTRIES,
    .shared = 1,
    .size = sizeof(struct kmem_cache),
    .name = "kmem_cache",
};

void __init kmem_cache_init(void)
{
    int i;
    //指向静态定义的kmem_cache_boot
    kmem_cache = &kmem_cache_boot;

    for (i = 0; i < NUM_INIT_LISTS; i++)
        kmem_cache_node_init(&init_kmem_cache_node[i]);
    //建立保存kmem_cache结构的kmem_cache
    create_boot_cache(kmem_cache, "kmem_cache",
        offsetof(struct kmem_cache, node) +
                  nr_node_ids * sizeof(struct kmem_cache_node *),
                  SLAB_HWCACHE_ALIGN, 0, 0);
    //加入全局slab_caches链表中
    list_add(&kmem_cache->list, &slab_caches);
    {
        int nid;
        for_each_online_node(nid) {
            init_list(kmem_cache, &init_kmem_cache_node[CACHE_CACHE + nid], nid);
            init_list(kmalloc_caches[KMALLOC_NORMAL][INDEX_NODE],                      &init_kmem_cache_node[SIZE_NODE + nid], nid);
        }
    }
    //建立kmalloc函数使用的的kmem_cache
    create_kmalloc_caches(ARCH_KMALLOC_FLAGS);
}

管理 kmem_cache

我们建好了第一个 kmem_cache，以后 kmem_cache 越来越多，而且我们并没有看到 kmem_cache 结构中有任何指向内存页面的字段，但在 kmem_cache 结构中有个保存 kmem_cache_node 结构的指针数组。

kmem_cache_node 结构是每个内存节点对应一个，它就是用来管理 kmem_cache 结构的，它开始是静态定义的，初始化时建立了第一个 kmem_cache 结构之后，init_list 函数负责一个个分配内存空间，代码如下所示。

#define NUM_INIT_LISTS (2 * MAX_NUMNODES)
//定义的kmem_cache_node结构数组
static struct kmem_cache_node __initdata init_kmem_cache_node[NUM_INIT_LISTS];

struct kmem_cache_node {
    spinlock_t list_lock;//自旋锁
    struct list_head slabs_partial;//有一部分空闲对象的kmem_cache结构
    struct list_head slabs_full;//没有空闲对象的kmem_cache结构
    struct list_head slabs_free;//对象全部空闲kmem_cache结构
    unsigned long total_slabs; //一共多少kmem_cache结构
    unsigned long free_slabs;  //空闲的kmem_cache结构
    unsigned long free_objects;//空闲的对象
    unsigned int free_limit;
};
static void __init init_list(struct kmem_cache *cachep, struct kmem_cache_node *list,
                int nodeid)
{
    struct kmem_cache_node *ptr;
    //分配新的 kmem_cache_node 结构的空间
    ptr = kmalloc_node(sizeof(struct kmem_cache_node), GFP_NOWAIT, nodeid);
    BUG_ON(!ptr);
    //复制初始时的静态kmem_cache_node结构
    memcpy(ptr, list, sizeof(struct kmem_cache_node));
    spin_lock_init(&ptr->list_lock);
    MAKE_ALL_LISTS(cachep, ptr, nodeid);
    //设置kmem_cache_node的地址
    cachep->node[nodeid] = ptr;
}

我们第一次分配对象时，肯定没有对应的内存页面存放对象，那么 SLAB 模块就会调用 cache_grow_begin 函数获取内存页面，然后用获取的页面来存放对象，我们一起来看看代码。

static void slab_map_pages(struct kmem_cache *cache, struct page *page,void *freelist)
{
    //页面结构指向kmem_cache结构
    page->slab_cache = cache;
    //指向空闲对象的链表
    page->freelist = freelist;
}
static struct page *cache_grow_begin(struct kmem_cache *cachep,
                gfp_t flags, int nodeid)
{
    void *freelist;
    size_t offset;
    gfp_t local_flags;
    int page_node;
    struct kmem_cache_node *n;
    struct page *page;

    WARN_ON_ONCE(cachep->ctor && (flags & __GFP_ZERO));
    local_flags = flags & (GFP_CONSTRAINT_MASK|GFP_RECLAIM_MASK);
    //获取页面
    page = kmem_getpages(cachep, local_flags, nodeid);
    //获取页面所在的内存节点号
    page_node = page_to_nid(page);
    //根据内存节点获取对应kmem_cache_node结构
    n = get_node(cachep, page_node);
    //分配管理空闲对象的数据结构
    freelist = alloc_slabmgmt(cachep, page, offset,
            local_flags & ~GFP_CONSTRAINT_MASK, page_node);
    //让页面中相关的字段指向kmem_cache和空闲对象
    slab_map_pages(cachep, page, freelist);
    //初始化空闲对象管理数据
    cache_init_objs(cachep, page);
    return page;
}

static void cache_grow_end(struct kmem_cache *cachep, struct page *page)
{
    struct kmem_cache_node *n;
    void *list = NULL;
    if (!page)
        return;
    //初始化结page构的slab_list链表
    INIT_LIST_HEAD(&page->slab_list);
    //根据内存节点获取对应kmem_cache_node结构.
    n = get_node(cachep, page_to_nid(page));
    spin_lock(&n->list_lock);
    //slab计数增加
    n->total_slabs++;
    if (!page->active) {
        //把这个page结构加入到kmem_cache_node结构的空闲链表中
        list_add_tail(&page->slab_list, &n->slabs_free);
        n->free_slabs++;
    }
    spin_unlock(&n->list_lock);
}

上述代码中的注释已经很清楚了，cache_grow_begin 函数会为 kmem_cache 结构分配用来存放对象的页面，随后会调用与之对应的 cache_grow_end 函数，把这页面挂载到 kmem_cache_node 结构的链表中，并让页面指向 kmem_cache 结构。

这样 kmem_cache_node，kmem_cache，page 这三者之间就联系起来了。你再看一下后面的图，就更加清楚了。

SLAB全局结构示意图：

上图中 page 可能是一组连续的 pages，但是只会把第一个 page 挂载到 kmem_cache_node 中，同时，在 slab_map_pages 函数中又让 page 指向了 kmem_cache。

但你要特别留意 kmem_cache_node 中的三个链表，它们分别挂载的 pages，有一部分是空闲对象的 page、还有对象全部都已经分配的 page，以及全部都为空闲对象的 page。这是为了提高分配时查找 kmem_cache 的性能。

SLAB分配对象的过程

有了前面对 SLAB 数据结构的了解，SLAB 分配对象的过程你自己也能推导出来，无非是根据请求分配对象的大小，查找对应的 kmem_cache 结构，接着从这个结构中获取 arry_cache 结构，然后分配对象。

如果没有空闲对象了，就需要在 kmem_cache 对应的 kmem_cache_node 结构中查找有空闲对象的 kmem_cache。如果还是没找到，最后就要分配内存页面新增 kmem_cache 结构了。

SLAB分配对象的过程图解：

下面我们从接口开始了解这些过程。

SLAB 分配接口

其实在 Linux 内核中，用的最多的是 kmalloc 函数，经常用于分配小的缓冲区，或者数据结构分配实例空间，这个函数就是 SLAB 分配接口，它是用来分配对象的，这个对象就是一小块内存空间。

下面一起来看看代码。

static __always_inline void *__do_kmalloc(size_t size, gfp_t flags,unsigned long caller)
{
    struct kmem_cache *cachep;
    void *ret;
    if (unlikely(size > KMALLOC_MAX_CACHE_SIZE))
        return NULL;
    //查找size对应的kmem_cache
    cachep = kmalloc_slab(size, flags);
    if (unlikely(ZERO_OR_NULL_PTR(cachep)))
        return cachep;
    //分配对象
    ret = slab_alloc(cachep, flags, caller);
    return ret;
}

void *__kmalloc(size_t size, gfp_t flags)
{
    return __do_kmalloc(size, flags, _RET_IP_);
}
static __always_inline void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags)
{
    return __kmalloc(size, flags);
}

上面代码的流程很简单，就是在 __do_kmalloc 函数中，查找出分配大小对应的 kmem_cache 结构，然后调用 slab_alloc 函数进行分配。可以说，slab_alloc 函数才是 SLAB 的接口函数，但是它的参数中必须要有 kmem_cache 结构。

如何查找kmem_cache结构

由于 SLAB 的接口函数 slab_alloc，它的参数中必须要有 kmem_cache 结构指针，指定从哪个 kmem_cache 结构分配对象，所以在调用 slab_alloc 函数之前必须给出 kmem_cache 结构。

我们怎么查找到它呢？这就需要调用 kmalloc_slab 函数了，代码如下所示。

enum kmalloc_cache_type {
    KMALLOC_NORMAL = 0,
    KMALLOC_RECLAIM,
#ifdef CONFIG_ZONE_DMA
    KMALLOC_DMA,
#endif
    NR_KMALLOC_TYPES
};
struct kmem_cache *kmalloc_caches[NR_KMALLOC_TYPES][KMALLOC_SHIFT_HIGH + 1] __ro_after_init ={ static u8 size_index[24] __ro_after_init = {
    3,  /* 8 */
    4,  /* 16 */
    5,  /* 24 */
    5,  /* 32 */
    6,  /* 40 */
    6,  /* 48 */
    6,  /* 56 */
    6,  /* 64 */
    1,  /* 72 */
    1,  /* 80 */
    1,  /* 88 */
    1,  /* 96 */
    7,  /* 104 */
    7,  /* 112 */
    7,  /* 120 */
    7,  /* 128 */
    2,  /* 136 */
    2,  /* 144 */
    2,  /* 152 */
    2,  /* 160 */
    2,  /* 168 */
    2,  /* 176 */
    2,  /* 184 */
    2   /* 192 */
};
//根据分配标志返回枚举类型，其实是0、1、2其中之一
static __always_inline enum kmalloc_cache_type kmalloc_type(gfp_t flags)
{
#ifdef CONFIG_ZONE_DMA
    if (likely((flags & (__GFP_DMA | __GFP_RECLAIMABLE)) == 0))
        return KMALLOC_NORMAL;
    return flags & __GFP_DMA ? KMALLOC_DMA : KMALLOC_RECLAIM;
#else
    return flags & __GFP_RECLAIMABLE ? KMALLOC_RECLAIM : KMALLOC_NORMAL;
#endif
}
struct kmem_cache *kmalloc_slab(size_t size, gfp_t flags)
{
    unsigned int index;
    //计算出index
    if (size <= 192) {
        if (!size)
            return ZERO_SIZE_PTR;
        index = size_index[size_index_elem(size)];
    } else {
        if (WARN_ON_ONCE(size > KMALLOC_MAX_CACHE_SIZE))
            return NULL;
        index = fls(size - 1);
    }
    return kmalloc_caches[kmalloc_type(flags)][index];
}

从上述代码，不难发现 kmalloc_caches 就是个全局的二维数组，kmalloc_slab 函数只是根据分配大小和分配标志计算出了数组下标，最后取出其中 kmem_cache 结构指针。

那么 kmalloc_caches 中的 kmem_cache，它又是谁建立的呢？我们还是接着看代码

struct kmem_cache *__init create_kmalloc_cache(const char *name,
        unsigned int size, slab_flags_t flags,
        unsigned int useroffset, unsigned int usersize)
{
    //从第一个kmem_cache中分配一个对象放kmem_cache
    struct kmem_cache *s = kmem_cache_zalloc(kmem_cache, GFP_NOWAIT);

    if (!s)
        panic("Out of memory when creating slab %s\n", name);
    //设置s的对齐参数，处理s的freelist就是arr_cache
    create_boot_cache(s, name, size, flags, useroffset, usersize);
    list_add(&s->list, &slab_caches);
    s->refcount = 1;
    return s;
}
//新建一个kmem_cache
static void __init new_kmalloc_cache(int idx, enum kmalloc_cache_type type, slab_flags_t flags)
{
    if (type == KMALLOC_RECLAIM)
        flags |= SLAB_RECLAIM_ACCOUNT;
        //根据kmalloc_info中信息建立一个kmem_cache
    kmalloc_caches[type][idx] = create_kmalloc_cache(
                    kmalloc_info[idx].name[type],
                    kmalloc_info[idx].size, flags, 0,
                    kmalloc_info[idx].size);
}
//建立所有的kmalloc_caches中的kmem_cache
void __init create_kmalloc_caches(slab_flags_t flags)
{
    int i;
    enum kmalloc_cache_type type;
    for (type = KMALLOC_NORMAL; type <= KMALLOC_RECLAIM; type++) {
        for (i = KMALLOC_SHIFT_LOW; i <= KMALLOC_SHIFT_HIGH; i++) {
            if (!kmalloc_caches[type][i])
                //建立一个新的kmem_cache
                new_kmalloc_cache(i, type, flags);
            if (KMALLOC_MIN_SIZE <= 32 && i == 6 &&
                    !kmalloc_caches[type][1])
                new_kmalloc_cache(1, type, flags);
            if (KMALLOC_MIN_SIZE <= 64 && i == 7 &&
                    !kmalloc_caches[type][2])
                new_kmalloc_cache(2, type, flags);
        }
    }
}

到这里，__do_kmalloc 函数中根据分配对象大小查找的所有 kmem_cache 结构，我们就建立好了，保存在 kmalloc_caches 数组中。下面我们再去看看对象是如何分配的。

分配对象

下面我们从 slab_alloc 函数开始探索对象的分配过程，slab_alloc 函数的第一个参数就 kmem_cache 结构的指针，表示从该 kmem_cache 结构中分配对象。

static __always_inline void *slab_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags, unsigned long caller)
{
    unsigned long save_flags;
    void *objp;
    //关中断
    local_irq_save(save_flags);
    //分配对象
    objp = __do_cache_alloc(cachep, flags);
    //恢复中断
    local_irq_restore(save_flags);
    return objp;
}

接口函数总是简单的，真正干活的是 __do_cache_alloc 函数，下面我们就来看看这个函数。

static inline void *____cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags)
{
    void *objp;
    struct array_cache *ac;
    //获取当前cpu在cachep结构中的array_cache结构的指针
    ac = cpu_cache_get(cachep);
    //如果ac中的avail不为0,说明当前kmem_cache结构中freelist是有空闲对象
    if (likely(ac->avail)) {
        ac->touched = 1;
        //空间对象的地址保存在ac->entry
        objp = ac->entry[--ac->avail];
        goto out;
    }
    objp = cache_alloc_refill(cachep, flags);
out:
    return objp;
}
static __always_inline void *__do_cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags)
{
    return ____cache_alloc(cachep, flags);
}

上述代码中真正做事的函数是 ____cache_alloc 函数，它首先获取了当前 kmem_cache 结构中指向 array_cache 结构的指针，找到它里面空闲对象的地址（如果你不懂 array_cache 结构，请回到 SLAB 对象那一小节复习），然后在 array_cache 结构中取出一个空闲对象地址返回，这样就分配成功了。

这个速度是很快的，如果 array_cache 结构中没有空闲对象了，就会调用 cache_alloc_refill 函数。那这个函数又干了什么呢？我们接着往下看。代码如下所示。

static struct page *get_first_slab(struct kmem_cache_node *n, bool pfmemalloc)
{
    struct page *page;
    assert_spin_locked(&n->list_lock);
    //首先从kmem_cache_node结构中的slabs_partial链表上查看有没有page
    page = list_first_entry_or_null(&n->slabs_partial, struct page,slab_list);
    if (!page) {
    //如果没有
        n->free_touched = 1;
    //从kmem_cache_node结构中的slabs_free链表上查看有没有page
        page = list_first_entry_or_null(&n->slabs_free, struct page,slab_list);
        if (page)
            n->free_slabs--; //空闲slab计数减一
    }
    //返回page
    return page;
}
static void *cache_alloc_refill(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags)
{
    int batchcount;
    struct kmem_cache_node *n;
    struct array_cache *ac, *shared;
    int node;
    void *list = NULL;
    struct page *page;
    //获取内存节点
    node = numa_mem_id();
    ac = cpu_cache_get(cachep);
    batchcount = ac->batchcount;
    //获取cachep所属的kmem_cache_node
    n = get_node(cachep, node);
    shared = READ_ONCE(n->shared);
    if (!n->free_objects && (!shared || !shared->avail))
        goto direct_grow;
    while (batchcount > 0) {
        //获取kmem_cache_node结构中其它kmem_cache,返回的是page，而page会指向kmem_cache
        page = get_first_slab(n, false);
        if (!page)
            goto must_grow;
        batchcount = alloc_block(cachep, ac, page, batchcount);
    }
must_grow:
    n->free_objects -= ac->avail;
direct_grow:
    if (unlikely(!ac->avail)) {
        //分配新的kmem_cache并初始化
        page = cache_grow_begin(cachep, gfp_exact_node(flags), node);
        ac = cpu_cache_get(cachep);
        if (!ac->avail && page)
            alloc_block(cachep, ac, page, batchcount);
        //让page挂载到kmem_cache_node结构的slabs_list链表上
        cache_grow_end(cachep, page);
        if (!ac->avail)
            return NULL;
    }
    ac->touched = 1;
    //重新分配
    return ac->entry[--ac->avail];
}

调用 cache_alloc_refill 函数的过程，主要的工作都有哪些呢?

• 首先，获取了 cachep 所属的 kmem_cache_node。
• 然后调用 get_first_slab，获取 kmem_cache_node 结构还有没有包含空闲对象的 kmem_cache。但是请注意，这里返回的是 page，因为 page 会指向 kmem_cache 结构，page 所代表的物理内存页面，也保存着 kmem_cache 结构中的对象。
• 最后，如果 kmem_cache_node 结构没有包含空闲对象的 kmem_cache 了，就必须调用 cache_grow_begin 函数，找伙伴系统分配新的内存页面，而且还要找第一个 kmem_cache 分配新的对象，来存放 kmem_cache 结构的实例变量，并进行必要的初始化。

这些步骤完成之后，再调用 cache_grow_end 函数，把刚刚分配的 page 挂载到 kmem_cache_node 结构的 slabs_list 链表上。因为 cache_grow_begin 和 cache_grow_end 函数在前面已经分析过了，这里不再赘述。