Linux Slub分配器(一)--概述

最新推荐文章于 2024-06-04 16:32:20 发布

iteye_21199

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文章标签： c/c++ 数据结构与算法内存管理

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Slab分配器一直处于内核内存管理的核心地位，尽管如此，它还是拥有自身的缺点，最明显的两点就是复杂性和过多的管理数据造成的内存上的开销。针对这些问题，linux引入了slub分配器，slub分配器保留了slab分配器的所有接口，实际上slub分配器的模型和slab分配的模型是基本一致的，只不过在一些地方进行了精简，这也使得slub分配器工作起来更为游刃有余。两者主要的区别如下：

slab分配器为了增加分配速度，引入了一些管理数组，如slab管理区中的kmem_bufctl数组和紧随本地CPU结构后面的用来跟踪最热空闲对象的数组，这些结构虽然加快了分配对象的速度，但也增加了一定的复杂性，而且随着系统变得庞大，其对内存的开销也越明显。而slub分配器则完全摒弃了这些管理数据，个人觉得这也是slub分配器最精髓的地方，至于slub分配器的具体做法是怎样的，后面再做分析；
slab分配器针对每个缓存，根据slab的状态划分了3个链表--full,partial和free. slub分配器做了简化，去掉了free链表，对于空闲的slab,slub分配器选择直接将其释放；
slub分配器摒弃了slab分配器中的着色概念，在slab分配器中，由于颜色的个数有限，因此着色也无法完全解决slab之间的缓存行冲突问题，考虑到着色造成了内存上的浪费，slub分配器没有引入着色；
在NUMA架构的支持上，slub分配器也较slab分配器做了简化。

下面来看slub分配器涉及到的主要数据结构

缓存描述结构:

struct kmem_cache {
	/* Used for retriving partial slabs etc */
	unsigned long flags; /* cache属性的描述标识 */
	int size;	     /* 分配给对象的内存大小，可能大于实际对象的大小 */
	int objsize;	     /* 对象的实际大小 */	
	int offset;          /* 存放空闲对象的偏移,以字节为单位 */
	struct kmem_cache_order_objects oo;/* oo用来存放分配给slab的页框的阶数(高16位)和
	                                            slab中的对象数量(低16位) */

	/*
	 * Avoid an extra cache line for UP, SMP and for the node local to
	 * struct kmem_cache.
	 */
	struct kmem_cache_node local_node;/* 本地节点的slab信息 */

	/* Allocation and freeing of slabs */
	struct kmem_cache_order_objects max;
	struct kmem_cache_order_objects min;
	gfp_t allocflags;      /* 分配时用的GFP标识 */
	int refcount;	       /* 缓存中存在的对象种类数目，因为slub允许缓存复用，
	                              因此一个缓存中可能存在多种对象类型 */
	void (*ctor)(void *);  /* 创建对象的构造函数 */
	int inuse;             /* 元数据的偏移 */
	int align;	       /* 对齐值 */
	unsigned long min_partial;/* partial slab链表中的最小slab数目 */
	const char *name;	  /* 缓存名 */
	struct list_head list;    /* 用于将缓存链入slab_caches全局缓存链表 */
#ifdef CONFIG_SLUB_DEBUG
	struct kobject kobj;      /* For sysfs */
#endif

#ifdef CONFIG_NUMA
	/*
	 * Defragmentation by allocating from a remote node.
	 */
	int remote_node_defrag_ratio;   /* 该值越小，越倾向于从本节点分配对象 */
	struct kmem_cache_node *node[MAX_NUMNODES];/* NUMA架构下每个节点对应的slab信息 */
#endif
#ifdef CONFIG_SMP
	struct kmem_cache_cpu *cpu_slab[NR_CPUS];  /* SMP系统下每个CPU对应的slab信息 */
#else
 	struct kmem_cache_cpu cpu_slab; /* 单核系统下CPU对应的slab信息 */
#endif
};

节点的slab信息描述结构：

struct kmem_cache_node {
	spinlock_t list_lock；       /* Protect partial list and nr_partial */
	unsigned long nr_partial;   /* partial slab链表中slab的数量 */
	struct list_head partial;   /* partial slab链表表头*/
#ifdef CONFIG_SLUB_DEBUG
	atomic_long_t nr_slabs;      /* 节点中的slab数 */
	atomic_long_t total_objects; /* 节点中的对象数 */
	struct list_head full;       /* full slab链表表头 */
#endif
};

本地CPU的slab信息描述结构:

struct kmem_cache_cpu {
	void **freelist;	/* 指向本地CPU的第一个空闲对象 */
	struct page *page;	/* 分配给本地CPU的slab的页框 */
	int node;	        /* 页框所处的节点，值为-1时表示DEBUG */
	unsigned int offset;	/* 空闲对象指针的偏移，以字长为单位 */
	unsigned int objsize;	/* 对象的大小 */
#ifdef CONFIG_SLUB_STATS
	unsigned stat[NR_SLUB_STAT_ITEMS];/*用以记录slab的状态*/
#endif
};

用下图可以描述这些slub分配器的核心数据结构之间的关系