slab分配器

什么是slab分配器？

用户态程序可以使用malloc及其在C标准库中的相关函数申请内存；内核也需要经常分配内存，但无法使用标准库函数；linux内核中，伙伴分配器是一种页分配器，是以页为单位的，但这个单位太大了；如果要分配小块，就需要一个块分配器；slab是内核中一种基本的块分配器；
slab分配器在某些情况下表现不太好，Linux内核提供了两个备用的块分配器。
1）在配备了大量物理内存的大型计算机上，slab分配器的管理数据结构的内存开销比较大，所以设计了slub分配器；
2）在小内存的嵌入式设备上，使用比slab分配器代码更少、更简单的slob分配器。
slab是内核默认的块分配器；本文对slab进行介绍；

slab分配器的作用及原理

slab分配器的主要作用是分配小块内存，并且使用缓存的思想提高系统性能；
slab分配器的核心思想是：为每种对象类型创建一个内存缓存，每个内存缓存由多个大块(slab)组成，一个slab是一个或多个连续的物理页(物理页是从伙伴分配器申请的)，每个slab包含多个对象。slab 采用了面向对象的思想，基于对象类型管理内存，每种对象被划分为一类，例如进程描述符（task_struct）是一个类，每个进程描述符实例是一个对象。
通过伙伴分配器和slab分配器分配的内存在物理内存中是连续的；
内存缓存组成如下：

一般内核代码、伙伴分配器、块分配器及物理页帧的关联如下：

上图中，统一接口即slab、slob、slub分配器提供出来的统一接口，kmalloc、kfree等；

编程接口

slab，slob，slub块分配器提供了统一的编程接口；slab中内存缓存分为两种：通用内存缓存和专用内存缓存；
通用内存缓存编程接口为kmalloc、kfree、krealloc等；
专用内存缓存编程接口为kmem_cache_create、kmem_cache_alloc、kmem_cache_free、kmem_cache_destroy等；

cat /proc/slabinfo可以查看slab信息；第一列为内存缓存名称；

通用内存缓存接口

从普通区域分配页的通用内存缓存的名称是“kmalloc-”（size 是对象的长度），从 DMA 区域分配页的通用内存缓存的名称是“dma-kmalloc-”；通用内存缓存对象的长度是 2^n字节；
通过通用内存缓存申请内存，块分配器需要找到一个对象的长度刚好大于或等于请求的内存长度的通用内存缓存；

每列含义如下：

kmalloc

分配内存

/**
 * kmalloc - allocate memory
 * @size: how many bytes of memory are required.
 * @flags: the type of memory to allocate.
 *
 * kmalloc is the normal method of allocating memory
 * for objects smaller than page size in the kernel.
*/
void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);

size，申请的内存字节数；
flags，页分配器的分配标志位；当内存缓存没有空闲对象，向页分配器请求分配页的时候使用这个标志位；
块分配器找到一个合适的通用内存缓存：对象的长度刚好大于或等于请求的内存长度，然后从这个内存缓存分配对象；如果分配成功，返回对象的地址，否则返回空指针；

krealloc

重新分配内存

/**
 * krealloc - reallocate memory. The contents will remain unchanged.
 * @p: object to reallocate memory for.
 * @new_size: how many bytes of memory are required.
 * @flags: the type of memory to allocate.
 *
 * The contents of the object pointed to are preserved up to the
 * lesser of the new and old sizes.  If @p is %NULL, krealloc()
 * behaves exactly like kmalloc().  If @new_size is 0 and @p is not a
 * %NULL pointer, the object pointed to is freed.
 */
void *krealloc(const void *p, size_t new_size, gfp_t flags);

p，需要重新分配内存的对象的指针；
new_size，新的长度；
flags，页分配器的分配标志位；

kfree

释放内存

/**
 * kfree - free previously allocated memory
 * @objp: pointer returned by kmalloc.
 *
 * If @objp is NULL, no operation is performed.
 *
 * Don't free memory not originally allocated by kmalloc()
 * or you will run into trouble.
 */
void kfree(const void *objp);

objp，kmalloc返回的对象的地址；

kfree函数怎么知道objp是属于哪个内存缓存(kmem_cahce)的？后面解答这个问题；

专用内存缓存

使用通用的内存缓存的缺点是：块分配器需要找到一个对象的长度刚好大于或等于请求的内存长度的通用内存缓存，如果请求的内存长度和内存缓存的对象长度相差很远，浪费比较大，例如申请 36 字节，实际分配的内存长度是 64 字节，浪费了 28 字节。所以有时候使用者需要创建专用的内存缓存，编程接口如下。

kmem_cache_create

创建内存缓存

/*
 * kmem_cache_create - Create a cache.
 * @name: A string which is used in /proc/slabinfo to identify this cache.
 * @size: The size of objects to be created in this cache.
 * @align: The required alignment for the objects.
 * @flags: SLAB flags
 * @ctor: A constructor for the objects.
 *
 * Returns a ptr to the cache on success, NULL on failure.
 * Cannot be called within a interrupt, but can be interrupted.
 * The @ctor is run when new pages are allocated by the cache.
 *
 * The flags are
 *
 * %SLAB_POISON - Poison the slab with a known test pattern (a5a5a5a5)
 * to catch references to uninitialised memory.
 *
 * %SLAB_RED_ZONE - Insert `Red' zones around the allocated memory to check
 * for buffer overruns.
 *
 * %SLAB_HWCACHE_ALIGN - Align the objects in this cache to a hardware
 * cacheline.  This can be beneficial if you're counting cycles as closely
 * as davem.
 */
struct kmem_cache *
kmem_cache_create(const char *name, size_t size, size_t align,
		  unsigned long flags, void (*ctor)(void *))

kmem_cache_alloc

/**
 * kmem_cache_alloc - Allocate an object
 * @cachep: The cache to allocate from.
 * @flags: See kmalloc().
 *
 * Allocate an object from this cache.  The flags are only relevant
 * if the cache has no available objects.
 */
void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags);

kmem_cache_free

/**
 * kmem_cache_free - Deallocate an object
 * @cachep: The cache the allocation was from.
 * @objp: The previously allocated object.
 *
 * Free an object which was previously allocated from this
 * cache.
 */
void kmem_cache_free(struct kmem_cache *cachep, void *objp);

kmem_cache_destroy

void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache