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.  */  
6.   
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;  
14.   
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 */  
18.   
19.     unsigned int flags;     /* constant flags */  
20.     unsigned int num;       /* # of objs per slab */  
21.   
22. /* 4) cache_grow/shrink */  
23.     /* order of pgs per slab (2^n) */  
24.     unsigned int gfporder;  
25.   
26.     /* force GFP flags, e.g. GFP_DMA */  
27.     gfp_t gfpflags;  
28.   
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 */  
34.   
35.     /* constructor func */  
36.     void (*ctor)(void *obj);  
37.   
38. /* 5) cache creation/removal */  
39.     const char *name;  
40.     struct list_head next;  
41.   
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;  
58.   
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 */   
68.   
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。