slab机制

1.内部碎片和外部碎片

外部碎片

什么是外部碎片呢？我们通过一个图来解释：

 假设这是一段连续的页框，阴影部分表示已经被使用的页框，现在需要申请一个连续的5个页框。这个时候，在这段内存上不能找到连续的5个空闲的页框，就会去另一段内存上去寻找5个连续的页框，这样子，久而久之就形成了页框的浪费。称为外部碎片。
内核中使用伙伴算法的迁移机制很好的解决了这种外部碎片。
内部碎片
当我们申请几十个字节的时候，内核也是给我们分配一个页，这样在每个页中就形成了很大的浪费。称之为内部碎片。
内核中引入了slab机制去尽力的减少这种内部碎片。


2.slab分配机制


slab分配器是基于对象进行管理的，所谓的对象就是内核中的数据结构（例如：task_struct,file_struct 等）。相同类型的对象归为一类，每当要申请这样一个对象时，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，从而避免内部碎片。slab分配器并不丢弃已经分配的对象，而是释放并把它们保存在内存中。slab分配对象时，会使用最近释放的对象的内存块，因此其驻留在cpu高速缓存中的概率会大大提高。


3.内核中slab的主要数据结构

简要分析下这个图：kmem_cache是一个cache_chain的链表，描述了一个高速缓存，每个高速缓存包含了一个slabs的列表，这通常是一段连续的内存块。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)。slab是slab分配器的最小单位，在实现上一个slab有一个货多个连续的物理页组成（通常只有一页）。单个slab可以在slab链表之间移动，例如如果一个半满slab被分配了对象后变满了，就要从slabs_partial中被删除，同时插入到slabs_full中去。
举例说明：如果有一个名叫inode_cachep的struct kmem_cache节点，它存放了一些inode对象。当内核请求分配一个新的inode对象时，slab分配器就开始工作了：


首先要查看inode_cachep的slabs_partial链表，如果slabs_partial非空，就从中选中一个slab，返回一个指向已分配但未使用的inode结构的指针。完事之后，如果这个slab满了，就把它从slabs_partial中删除，插入到slabs_full中去，结束；
如果slabs_partial为空，也就是没有半满的slab，就会到slabs_empty中寻找。如果slabs_empty非空，就选中一个slab，返回一个指向已分配但未使用的inode结构的指针，然后将这个slab从slabs_empty中删除，插入到slabs_partial（或者slab_full）中去，结束；
如果slabs_empty也为空，那么没办法，cache内存已经不足，只能新创建一个slab了。
接下来我们来分析下slab在内核中数据结构的组织，首先要从kmem_cache这个结构体说起了

struct kmem_cache {    struct array_cache *array[NR_CPUS];//per_cpu数据，记录了本地高速缓存的信息，也是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。    unsigned int batchcount;//本地高速缓存转入和转出的大批数据数量    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;/*buffer的大小，就是对象的大小*/    u32 reciprocal_buffer_size;    unsigned int flags;     /* constant flags */    unsigned int num;       /* # of objs per slab *//*slab中有多少个对象*/    /* order of pgs per slab (2^n) */    unsigned int gfporder;/*每个slab中有多少个页*/    gfp_t gfpflags;       /*与伙伴系统交互时所提供的分配标识*/      size_t colour;          /* cache colouring range *//*slab中的着色*/    unsigned int colour_off;    /* colour offset */着色的偏移量    struct kmem_cache *slabp_cache;    unsigned int slab_size;              //slab管理区的大小    unsigned int dflags;        /* dynamic flags */    /* constructor func */    void (*ctor)(void *obj);    /*构造函数*//* 5) cache creation/removal */    const char *name;/*slab上的名字*/    struct list_head next;              //用于将高速缓存连入cache chain/* 6) statistics */ //一些用于调试用的变量#ifdef CONFIG_DEBUG_SLAB    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;    unsigned long node_allocs;    unsigned long node_frees;    unsigned long node_overflow;    atomic_t allochit;    atomic_t allocmiss;    atomic_t freehit;    atomic_t freemiss;    int obj_offset;    int obj_size;#endif /* CONFIG_DEBUG_SLAB */    //用于组织该高速缓存中的slab    struct kmem_list3 *nodelists[MAX_NUMNODES];/*最大的内存节点*/};/* Size description struct for general caches. */struct cache_sizes {    size_t          cs_size;    struct kmem_cache   *cs_cachep;#ifdef CONFIG_ZONE_DMA    struct kmem_cache   *cs_dmacachep;#endif};

由上面的总图可知，一个核心的数据结构就是kmem_list3，它描述了slab描述符的状态。

struct kmem_list3 {/*三个链表中存的是一个高速缓存slab*//*在这三个链表中存放的是cache*/    struct list_head slabs_partial; //包含空闲对象和已经分配对象的slab描述符    struct list_head slabs_full;//只包含非空闲的slab描述符    struct list_head slabs_free;//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;   /* Per-node cache coloring *//*即将要着色的下一个*/    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 */};

接下来介绍描述单个slab的结构struct slab

struct slab {    struct list_head list;   //用于将slab连入keme_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; /* num of objs active in slab */已经分配出去的对象    kmem_bufctl_t free;       //下一个空闲对象的下标    unsigned short nodeid;   //节点标识符};

 在kmem_cache中还有一个重要的数据结构struct array_cache.这是一个指针数组，数组的元素是系统的cpu的个数。该结构用来描述每个cpu的高速缓存，它的主要作用是减少smp系统中对于自旋锁的竞争。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keme_list中的slab中引入一部分对象到本地高速缓存中，而keme_list中的空闲对象也不足时，那么就要从伙伴系统中引入新的页来建立新的slab了。

struct array_cache {    unsigned int avail;/*当前cpu上有多少个可用的对象*/    unsigned int limit;/*per_cpu里面最大的对象的个数，当超过这个值时，将对象返回给伙伴系统*/    unsigned int batchcount;/*一次转入和转出的对象数量*/    unsigned int touched;/*标示本地cpu最近是否被使用*/    spinlock_t lock;/*自旋锁*/    void *entry[];  /*             * Must have this definition in here for the proper             * alignment of array_cache. Also simplifies accessing             * the entries.             */};

对上面提到的各个数据结构做一个总结，用下图来描述：

 4.关于slab分配器的API


下面看一下slab分配器的接口——看看slab缓存是如何创建、撤销以及如何从缓存中分配一个对象的。一个新的kmem_cache通过kmem_cache_create()函数来创建：


struct kmem_cache *
kmem_cache_create( const char *name, size_t size, size_t align,
                   unsigned long flags， void (*ctor)(void*));
*name是一个字符串，存放kmem_cache缓存的名字；size是缓存所存放的对象的大小；align是slab内第一个对象的偏移；flag是可选的配置项，用来控制缓存的行为。最后一个参数ctor是对象的构造函数，一般是不需要的，以NULL来代替。kmem_cache_create()成功执行之后会返回一个指向所创建的缓存的指针，否则返回NULL。kmem_cache_create()可能会引起阻塞（睡眠），因此不能在中断上下文中使用。


撤销一个kmem_cache则是通过kmem_cache_destroy()函数：


int kmem_cache_destroy( struct kmem_cache *cachep);
该函数成功则返回0，失败返回非零值。调用kmem_cache_destroy()之前应该满足下面几个条件：首先，cachep所指向的缓存中所有slab都为空闲，否则的话是不可以撤销的；其次在调用kmem_cache_destroy()过程中以及调用之后，调用者需要确保不会再访问这个缓存；最后，该函数也可能会引起阻塞，因此不能在中断上下文中使用。
可以通过下面函数来从kmem_cache中分配一个对象：


void* kmem_cache_alloc(struct kmem_cache* cachep, gfp_t flags);
这个函数从cachep指定的缓存中返回一个指向对象的指针。如果缓存中所有slab都是满的，那么slab分配器会通过调用kmem_getpages()创建一个新的slab。


释放一个对象的函数如下：


void kmem_cache_free(struct kmem_cache* cachep,  void* objp);
这个函数是将被释放的对象返还给先前的slab，其实就是将cachep中的对象objp标记为空闲而已


5.使用以上的API写内核模块，生成自己的slab高速缓存。