Linux內存管理之slab機制（概述）

通過前面所有代碼的分析和總結，已經把各個部分熟悉了一遍，在此對Linux內核中slab機制做最後的總結。

伙伴系統算法采用頁作為基本內存區，這適合於大塊內存的請求。對於小內存區的申請，比如說幾十或幾百個字節，我們用slab機制。

Slab分配器把對象分組放進高速緩存。每個高速緩存都是同類型對象的一種“儲備”。包含高速緩存的主內存區被劃分為多個slab，每個slab由一個活多個連續的頁組成，這些頁中既包含已分配的對象，也包含空閒的對象。

相關閱讀：http://www.linuxidc.com/Linux/2012-01/51348.htm 與 http://www.linuxidc.com/Linux/2012-01/51349.htm

1，cache對象管理器

Cache對象管理器為kmem_cache結構，如下：

[cpp]

1. /*
2. * struct kmem_cache
3. *
4. * manages a cache.
5. */
7. struct kmem_cache {
8. /* 1) per-cpu data, touched during every alloc/free */
9. struct array_cache *array[NR_CPUS];/*local cache*/
10. /* 2) Cache tunables. Protected by cache_chain_mutex */
11. unsigned int batchcount;
12. unsigned int limit;
13. unsigned int shared;
15. unsigned int buffer_size;/*slab中對象大小*/
16. u32 reciprocal_buffer_size;/*slab中對象大小的倒數*/
17. /* 3) touched by every alloc & free from the backend */
19. unsigned int flags; /* constant flags */
20. unsigned int num; /* # of objs per slab */
22. /* 4) cache_grow/shrink */
23. /* order of pgs per slab (2^n) */
24. unsigned int gfporder;
26. /* force GFP flags, e.g. GFP_DMA */
27. gfp_t gfpflags;
29. size_t colour;/*著色塊個數*/ /* cache colouring range */
30. unsigned int colour_off;/* cache的著色塊的單位大小 */ /* colour offset */
31. struct kmem_cache *slabp_cache;
32. unsigned int slab_size;/*slab管理區大小,包含slab對象和kmem_bufctl_t數組*/
33. unsigned int dflags; /* dynamic flags */
35. /* constructor func */
36. void (*ctor)(void *obj);
38. /* 5) cache creation/removal */
39. const char *name;
40. struct list_head next;
42. /* 6) statistics */
43. #ifdef CONFIG_DEBUG_SLAB
44. unsigned long num_active;
45. unsigned long num_allocations;
46. unsigned long high_mark;
47. unsigned long grown;
48. unsigned long reaped;
49. unsigned long errors;
50. unsigned long max_freeable;
51. unsigned long node_allocs;
52. unsigned long node_frees;
53. unsigned long node_overflow;
54. atomic_t allochit;/*cache命中計數，在分配中更新*/
55. atomic_t allocmiss;/*cache未命中計數，在分配中更新*/
56. atomic_t freehit;
57. atomic_t freemiss;
59. /*
60. * If debugging is enabled, then the allocator can add additional
61. * fields and/or padding to every object. buffer_size contains the total
62. * object size including these internal fields, the following two
63. * variables contain the offset to the user object and its size.
64. */
65. int obj_offset;
66. int obj_size;
67. #endif /* CONFIG_DEBUG_SLAB */
69. /*
70. * We put nodelists[] at the end of kmem_cache, because we want to size
71. * this array to nr_node_ids slots instead of MAX_NUMNODES
72. * (see kmem_cache_init())
73. * We still use [MAX_NUMNODES] and not [1] or [0] because cache_cache
74. * is statically defined, so we reserve the max number of nodes.
75. */
76. struct kmem_list3 *nodelists[MAX_NUMNODES];
77. /*
78. * Do not add fields after nodelists[]
79. */
80. };

在初始化的時候我們看到，為cache對象、三鏈結構、本地cache對象預留了三個cache共分配。其他為通用數據cache，整體結構如下圖

其中，kmalloc使用的對象按照大小分屬不同的cache，32、64、128、……，每種大小對應兩個cache節點，一個用於DMA，一個用於普通分配。通過kmalloc分配的對象叫作通用數據對象。

可見通用數據cache是按照大小進行劃分的，結構不同的對象，只要大小在同一個級別內，它們就會在同一個general cache中。專用cache指系統為特定結構創建的對象，比如struct file，此類cache中的對象來源於同一個結構。

2，slab對象管理器

Slab結構如下

1. /*
2. * struct slab
3. *
4. * Manages the objs in a slab. Placed either at the beginning of mem allocated
5. * for a slab, or allocated from an general cache.
6. * Slabs are chained into three list: fully used, partial, fully free slabs.
7. */
8. struct slab {
9. struct list_head list;
10. /* 第一個對象的頁內偏移，對於內置式slab，colouroff成員不僅包括著色區
11. ，還包括管理對象占用的空間
12. ，外置式slab，colouroff成員只包括著色區。*/
13. unsigned long colouroff;
14. void *s_mem;/* 第一個對象的虛擬地址 *//* including colour offset */
15. unsigned int inuse;/*已分配的對象個數*/ /* num of objs active in slab */
16. kmem_bufctl_t free;/* 第一個空閒對象索引*/
17. unsigned short nodeid;
18. };

關於slab管理對象的整體框架以及slab管理對象與對象、頁面之間的聯系在前面的slab創建一文中已經總結的很清楚了。

3，slab著色

CPU訪問內存時使用哪個cache line是通過低地址的若干位確定的，比如cache line大小為32，那麼是從bit5開始的若干位。因此相距很遠的內存地址，如果這些位的地址相同，還是會被映射到同一個cache line。Slab cache中存放的是相同大小的對象，如果沒有著色區，那麼同一個cache內，不同slab中具有相同slab內部偏移的對象，其低地址的若干位是相同的，映射到同一個cache line。如圖所示。

如此一來，訪問cache line沖突的對象時，就會出現cache miss，不停的在cache line和內存之間來回切換，與此同時，其他的cache line可能無所事事，嚴重影響了cache的效率。解決這一問題的方法是通過著色區使對象的slab內偏移各不相同，從而避免cache line沖突。

著色貌似很好的解決了問題，實質不然，當slab數目不多時，著色工作的很好，當slab數目很多時，著色發生了循環，仍然存在cache line沖突的問題。