kernel hacker修炼之道之内存管理-SLAB(SLAB的基本数据结构)

kernel hacker修炼之道之内存管理-SLAB

作者：李万鹏 于北京 borqs

2011.9.13 21:15

本SLAB系列文章从几个方面讨论：

1. SLAB的基本数据结构

2. 创建SLAB高速缓存kmem_cache_create()

3. 销毁SLAB高速缓存kmem_cache_destroy()

4. 创建SLAB块cache_grow()

5. 撤销SLAB块cache_destroy()

6. 分配SLAB对象kmem_cache_alloc()

7. 释放SLAB对象kmem_cache_free()

8. SLAB系统的初始化代码

slab分配器基本原理：

slab最初是在Solaris 2.4中引入linux操作系统的，用于解决内碎片问题。程序经常需要创建一些数据结构，比如进程描述符task_struct，内存描述符mm_struct等。slab分配器把这些需要分配的小块内存区作为对象，类似面向对象的思想。每一类对象分配一个cache，cache有一个或多个slab组成，slab由一个或多个物理页面组成。需要分配对象的时候从slab中空闲的对象取，用完了再放回slab中，而不是释放给物理页分配器，这样下次用的时候就不用重新初始化了，实现了对象的复用。

struct kmem_cache_s { /* 1) per-cpu data, touched during every alloc/free */ struct array_cache *array[NR_CPUS]; unsigned int batchcount; unsigned int limit; /* 2) touched by every alloc & free from the backend */ struct kmem_list3 lists; /* NUMA: kmem_3list_t *nodelists[MAX_NUMNODES] */ unsigned int objsize; unsigned int flags; /* constant flags */ unsigned int num; /* # of objs per slab */ unsigned int free_limit; /* upper limit of objects in the lists */ spinlock_t spinlock; /* 3) cache_grow/shrink */ /* order of pgs per slab (2^n) */ unsigned int gfporder; /* force GFP flags, e.g. GFP_DMA */ unsigned int gfpflags; size_t colour; /* cache colouring range */ unsigned int colour_off; /* colour offset */ unsigned int colour_next; /* cache colouring */ kmem_cache_t *slabp_cache; unsigned int slab_size; unsigned int dflags; /* dynamic flags */ /* constructor func */ void (*ctor)(void *, kmem_cache_t *, unsigned long); /* de-constructor func */ void (*dtor)(void *, kmem_cache_t *, unsigned long); /* 4) cache creation/removal */ const char *name; struct list_head next; /* 5) statistics */ #if STATS 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; atomic_t allochit; atomic_t allocmiss; atomic_t freehit; atomic_t freemiss; #endif #if DEBUG int dbghead; int reallen; #endif };

如图，每一个cache用高速缓存描述符struct kmem_cache_t来描述，所有的cache链接在一个以cache_chain为链表头的链表上。其中ctor，dtor 分别是构造和析构函数，在调用cache_grow()分配slab块之后，会调用ctor为每个对象初始化，有点面向对象的思想。colour是颜色的粒度的最大值，colour_off是颜色粒度的单位，colour_next下一个被分配的slab使用的颜色。

struct kmem_list3 { struct list_head slabs_partial; /* partial list first, better asm code */ struct list_head slabs_full; struct list_head slabs_free; unsigned long free_objects; int free_touched; unsigned long next_reap; struct array_cache *shared; };struct kmem_cache_t有一个叫做struct kmem_list3的字段，里边保存了一些链表头，有list3，也就是slabs_full(没有空闲对象)，slabs_partial(有部分空闲对象)，slabs_free(只包含空闲对象)。还有一个struct array_cache *share字段，指向一个共享本地高速缓存。
struct array_cache { unsigned int avail; unsigned int limit; unsigned int batchcount; unsigned int touched; };struct kmem_cache_t的struct array_cache *array[NR_CPUS];字段指向了CPU的本地高速缓存。avail当前空闲对象的位置，limit是空闲对象的最大值。batchcount一次要填充给数组的对象数，或一次要释放的对象数。至于touched，如果本地高速缓存最近被使用过则touched置1。

struct cache_sizes { size_t cs_size; kmem_cache_t *cs_cachep; kmem_cache_t *cs_dmacachep; };这个是malloc_sizes表的类型，即普通高速缓存，cs_size指出了cache每次分配的内存区的大小，为32,64,128,256,512,1024,2048,4096,8192,16384,32768,65536,131072。这里一共13种几何分布的内存区，每种有两个高速缓存，一个用于ISA DMA分配，另一个适用于常规分配。

struct slab { struct list_head list; unsigned long colouroff; void *s_mem; /* including colour offset */ unsigned int inuse; /* num of objs active in slab */ kmem_bufctl_t free; };

这个就是SLAB描述符了，所有的slab描述符连在头节点为slabs_full,slabs_partial,slabs_free的双向链表上，colouroff为第一个对象的偏移。s_mem是slab中第一个对象的地址。这里的kmem_bufctl_t是对象描述符，在i386体系中是unsigned short类型，占2个字节。free保存下一个空闲对象的下标。

普通和专用高速缓存：

static kmem_cache_t cache_cache = { .lists = LIST3_INIT(cache_cache.lists), .batchcount = 1, .limit = BOOT_CPUCACHE_ENTRIES, .objsize = sizeof(kmem_cache_t), .flags = SLAB_NO_REAP, .spinlock = SPIN_LOCK_UNLOCKED, .name = "kmem_cache", #if DEBUG .reallen = sizeof(kmem_cache_t), #endif };第一个高速缓存叫kmem_cache，存放在cache_cache变量中，它包含由内核其他部分使用的高速缓存的高速缓存描述符。上边说的那个叫malloc_sizes的表保存了指向这26个高速缓存的描述符。专用高速缓存使用kmem_cache_create()创建的，下一篇文档会专门介绍。

slab着色基本原理：

CPU访问内存时，会把一些经常访问的缓存到cache中。缓存到哪个cache line是靠低地址，所以即使距离很远的两块内存，只要低地址相同还是会被缓存到相同的cache line中，如下图。这样会经常造成cache miss，cache line被不停的换入，换出，导致cache颠簸。

如果在同一个cache的不同slab前加上不同的偏移，这样他们的低地址就不同了，可以被缓存在不同的cache line。

但是这样也存在问题，比如colour是3，那么第一个对象的偏移是0*32，第二个是1*32，第三个是2*32，可是第四个的时候又循环回来0*32，所以着色是有局限性的，当slab比较少的时候可以，比较多了着色就不起什么作用了，这是slab的缺陷之一。