[Linux内存]slab分配器学习笔记（一）--概念

http://blog.csdn.net/vanbreaker/article/details/7664296
1,为什么需要slab分配器：
 利用伙伴系统进行分配内存只能按照页的单位进行分配，这样会造成很多的内存浪费，多了很多内存碎片，比如只需要申请10字节的，结果分配了一个页。
 
2，slab分配器和伙伴系统分配的差别
 slab分配器是基于对象进行管理的，相同类型的对象归为一类(如进程描述符就是一类)，每当要申请这样一个对象，slab分配器就从一个slab列表中分配一个这样大小的单元出去，而当要释放时，将其重新保存在该列表中，而不是直接返回给伙伴系统。slab分配对象时，会使用最近释放的对象内存块，因此其驻留在CPU高速缓存的概率较高
 Slab分配器由很多缓存（动态链表）组成，不同的缓存大小不同（如名为kmalloc-128的缓存所管理对象的长度为128字节）。Linux的Slab缓存分为专用和通用两种，通用缓存通过函数kmem_cache_init() 进行初始化，适用于特定对象，比如各种描述符，存放进程描述符的缓存大小就是sizeof(task_struct)；而专用缓存则通过函数 kmem_cache_create()创建。通用Slab的对象大小预先定义好的，一般是2的次幂（cache对齐的需要），Linux使用13级， 如下：32、64、128、256、512、1024、2048、4096、8192、16384、32768、65536、131072。这样可以保证内存碎片小于百分之50

3，slab的概念

slab分配器把内存区看作对象（object）,这些对象由一组数据结构和几个构造函数或者析构函数组成，分别用于初始化和回收内存。slab分配器把对象分组放进告诉缓存，包含高速缓存的主内存区被划分为多个slab,每个slab由一个或者多个连续的页组成，这些页框包含已分配对象和空闲对象。

每一个slab对象都有一个kmem_bufctl_t描述符，每个slab的对象描述符都存放在slab描述符的后面。因此((kmem_bufctl_t*)(slab + 1)就指向slab的kmem_bufctl_t描述符地址，语句((kmem_bufctl_t*)(slab + 1)[i]就是访问第i个对象的索引。

4，slab分配器用的相关数据结构
用于描述和管理cache的数据结构是struct kmem_cache

struct kmem_cache {  /* 1) per-cpu data, touched during every alloc/free */      /*per-CPU数据，记录了本地高速缓存的信息，也用于跟踪最近释放的对象，每次分配和释放都要直接访问它*/      struct array_cache *array[NR_CPUS];   /* 2) Cache tunables. Protected by cache_chain_mutex */      unsigned int batchcount;  /*本地高速缓存转入或转出的大批对象数量*/      unsigned int limit;       /*本地高速缓存中空闲对象的最大数目*/      unsigned int shared;        unsigned int buffer_size;/*管理对象的大小*/      u32 reciprocal_buffer_size;/*buffer_size的倒数值*/  /* 3) touched by every alloc & free from the backend */        unsigned int flags;          /* 高速缓存的永久标识*/      unsigned int num;         /* 一个slab所包含的对象数目 */    /* 4) cache_grow/shrink */      /* order of pgs per slab (2^n) */      unsigned int gfporder;   /*一个slab包含的连续页框数的对数*/         /* force GFP flags, e.g. GFP_DMA */      gfp_t gfpflags;          /*与伙伴系统交互时所提供的分配标识*/        size_t colour;         /* 颜色的个数*/      unsigned int colour_off; /* 着色的偏移量 */            /*如果将slab描述符存储在外部，该指针指向存储slab描述符的cache,       否则为NULL*/      struct kmem_cache *slabp_cache;      unsigned int slab_size;  /*slab管理区的大小*/      unsigned int dflags;     /*动态标识*/        void (*ctor)(void *obj); /*创建高速缓存时的构造函数指针*/    /* 5) cache creation/removal */      const char *name;         /*高速缓存名*/      struct list_head next;    /*用于将高速缓存链入cache chain*/    /* 6) statistics */          /*struct kmem_list3用于组织该高速缓存中的slab*/      struct kmem_list3 *nodelists[MAX_NUMNODES];      /*      * Do not add fields after nodelists[]      */  }; struct kmem_list3 {      struct list_head slabs_partial;/*slab链表，包含空闲对象和已分配对象的slab描述符*/      struct list_head slabs_full;   /*slab链表，只包含非空闲的slab描述符*/      struct list_head slabs_free;   /*slab链表，只包含空闲的slab描述符*/      unsigned long free_objects;    /*高速缓存中空闲对象的个数*/      unsigned int free_limit;       /*空闲对象的上限*/      unsigned int colour_next;       /*下一个slab使用的颜色*/      spinlock_t list_lock;      struct array_cache *shared; /* shared per node */      struct array_cache **alien; /* on other nodes */      unsigned long next_reap;    /* updated without locking */      int free_touched;       /* updated without locking */  };  描述和管理单个slab的结构是struct slabstruct slab {      struct list_head list;  /*用于将slab链入kmem_list3的链表*/      unsigned long colouroff;/*该slab的着色偏移*/      void *s_mem;            /*指向slab中的第一个对象*/      unsigned int inuse;     /*已分配出去的对象*/      kmem_bufctl_t free;     /*下一个空闲对象的下标*/      unsigned short nodeid;  /*节点标识号*/  }; 

各个数据结构之间关系：

 slab描述符可以放在以下两个地方
1，外部slab描述符，存在普通的高速缓存
2，内部slab描述符，位于分配给slab的第一个页框的起始位置

struct kmem_cache中定义了一个struct array_cache指针数组，数组的元素个数对应了系统的CPU数，和伙伴系统中的每CPU页框高速缓存类似，该结构用来描述每个CPU的本地高速缓存，在每个array_cache的末端都用一个指针数组记录了slab中的空闲对象，分配对象时，采用LIFO方式，也就是将该数组中的最后一个索引对应的对象分配出去，以保证该对象还驻留在高速缓存中的可能性。实际上，每次分配内存都是直接与本地CPU高速缓存进行交互，只有当其空闲内存不足时，才会从kmem_list中的slab中引入一部分对象到本地高速缓存中，而kmem_list中的空闲对象也不足了，那么就要从伙伴系统中引入新的页来建立新的slab了，这一点也和伙伴系统的
每CPU页框高速缓存很类似。

struct array_cache {      unsigned int avail;/*本地高速缓存中可用的空闲对象数*/      unsigned int limit;/*空闲对象的上限*/      unsigned int batchcount;/*一次转入和转出的对象数量*/      unsigned int touched;   /*标识本地CPU最近是否被使用*/      spinlock_t lock;      void *entry[];  /*这是一个伪数组，便于对后面用于跟踪空闲对象的指针数组的访问               */  }; 

因此，对象分配的次序为：（1）特定于CPU/节点的缓存列表中的对象（2）当前已经存在于slab缓存中中的未用对象（3）从伙伴系统获得内存，然后创建的对象

对象在slab中不是连续排列的，其排列如图所示:

5,伙伴系统 slab分配器的关系