Linux Slab分配器(二)--初始化

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在前文中介绍了slab所涉及到的数据结构， slab分配器的初始化工作都是围绕这些数据结构来展开的，主要是针对以下两个问题:

1.创建kmem_cache高速缓存用来存储所有的cache描述符

2.创建array_cache和kmem_list3高速缓存用来存储slab数据结构中的这两个关键结构

这里明显有点自相矛盾，那就是slab管理器尚未建立起来，又如何靠slab分配高速缓存来给这些结构分配空间呢？

解决第一个问题的方法是直接静态定义一个名为cache_cache的kmem_cache结构，来管理所有的kmem_cache描述符，对于array_cache和kmem_list3，内核也是先静态定义，然后建立起普通高速缓存(general cache)，再使用kmalloc分配普通高速缓存空间来替代之前静态定义的部分。

普通高速缓存是一组大小按几何倍数增长的高速缓存的合集，一个普通高速缓存用如下结构描述

/* Size description struct for general caches. */
struct cache_sizes {
	size_t		 	cs_size;   /*general cache的大小*/
	struct kmem_cache	*cs_cachep;         /*general cache的cache描述符指针*/
#ifdef CONFIG_ZONE_DMA
	struct kmem_cache	*cs_dmacachep;
#endif
};

普通高速缓存的大小由malloc_sizes表来确定

/*
 * These are the default caches for kmalloc. Custom caches can have other sizes.
 */
struct cache_sizes malloc_sizes[] = {
#define CACHE(x) { .cs_size = (x) },
#include <linux/kmalloc_sizes.h>
	CACHE(ULONG_MAX)
#undef CACHE
};

其中<linux/kmalloc_sizes.h>中的内容为

#if (PAGE_SIZE == 4096)
	CACHE(32)
#endif
	CACHE(64)
#if L1_CACHE_BYTES < 64
	CACHE(96)
#endif
	CACHE(128)
#if L1_CACHE_BYTES < 128
	CACHE(192)
#endif
	CACHE(256)
	CACHE(512)
	CACHE(1024)
	CACHE(2048)
	CACHE(4096)
	CACHE(8192)
	CACHE(16384)
	CACHE(32768)
	CACHE(65536)
	CACHE(131072)
#if KMALLOC_MAX_SIZE >= 262144
	CACHE(262144)
#endif
#if KMALLOC_MAX_SIZE >= 524288
	CACHE(524288)
#endif
#if KMALLOC_MAX_SIZE >= 1048576
	CACHE(1048576)
#endif
#if KMALLOC_MAX_SIZE >= 2097152
	CACHE(2097152)
#endif
#if KMALLOC_MAX_SIZE >= 4194304
	CACHE(4194304)
#endif
#if KMALLOC_MAX_SIZE >= 8388608
	CACHE(8388608)
#endif
#if KMALLOC_MAX_SIZE >= 16777216
	CACHE(16777216)
#endif
#if KMALLOC_MAX_SIZE >= 33554432
	CACHE(33554432)
#endif

cache_cache的初始化和普通高速缓存的建立由start_kernel()-->mm_init()-->kmem_cache_init()函数来完成，下面就来看具体的初始化代码

void __init kmem_cache_init(void)
{
	size_t left_over;
	struct cache_sizes *sizes;
	struct cache_names *names;
	int i;
	int order;
	int node;

	if (num_possible_nodes() == 1)
		use_alien_caches = 0;

	/*初始化静态L3变量initkmem_list3*/
	for (i = 0; i < NUM_INIT_LISTS; i++) {
		kmem_list3_init(&initkmem_list3[i]);
		if (i < MAX_NUMNODES)
			cache_cache.nodelists[i] = NULL;
	}
	/*将cache_cache和initkmem_list3相关联*/
	set_up_list3s(&cache_cache, CACHE_CACHE);

	/*
	 * Fragmentation resistance on low memory - only use bigger
	 * page orders on machines with more than 32MB of memory.
	 */
	if (totalram_pages > (32 << 20) >> PAGE_SHIFT)
		slab_break_gfp_order = BREAK_GFP_ORDER_HI;

	/* Bootstrap is tricky, because several objects are allocated
	 * from caches that do not exist yet:
	 * 1) initialize the cache_cache cache: it contains the struct
	 *    kmem_cache structures of all caches, except cache_cache itself:
	 *    cache_cache is statically allocated.
	 *    Initially an __init data area is used for the head array and the
	 *    kmem_list3 structures, it's replaced with a kmalloc allocated
	 *    array at the end of the bootstrap.
	 * 2) Create the first kmalloc cache.
	 *    The struct kmem_cache for the new cache is allocated normally.
	 *    An __init data area is used for the head array.
	 * 3) Create the remaining kmalloc caches, with minimally sized
	 *    head arrays.
	 * 4) Replace the __init data head arrays for cache_cache and the first
	 *    kmalloc cache with kmalloc allocated arrays.
	 * 5) Replace the __init data for kmem_list3 for cache_cache and
	 *    the other cache's with kmalloc allocated memory.
	 * 6) Resize the head arrays of the kmalloc caches to their final sizes.
	 */

	node = numa_node_id();

	/*初始化cache_cache的其余部分*/

	/* 1) create the cache_cache */
	INIT_LIST_HEAD(&cache_chain);
	list_add(&cache_cache.next, &cache_chain);
	cache_cache.colour_off = cache_line_size();
	cache_cache.array[smp_processor_id()] = &initarray_cache.cache;
	cache_cache.nodelists[node] = &initkmem_list3[CACHE_CACHE + node];

	/*
	 * struct kmem_cache size depends on nr_node_ids, which
	 * can be less than MAX_NUMNODES.
	 */
	cache_cache.buffer_size = offsetof(struct kmem_cache, nodelists) +
				 nr_node_ids * sizeof(struct kmem_list3 *);
#if DEBUG
	cache_cache.obj_size = cache_cache.buffer_size;
#endif
	cache_cache.buffer_size = ALIGN(cache_cache.buffer_size,
					cache_line_size());
	cache_cache.reciprocal_buffer_size =
		reciprocal_value(cache_cache.buffer_size);

	/*计算cache_cache的剩余空间以及slab中对象的数目，order决定了slab的大小(PAGE_SIZE<<order)*/
	for (order = 0; order < MAX_ORDER; order++) {
		cache_estimate(order, cache_cache.buffer_size,
			cache_line_size(), 0, &left_over, &cache_cache.num);
		/*当该order计算出来的num,即slab中对象的数目不为0时，则跳出循环*/
		if (cache_cache.num)
			break;
	}
	BUG_ON(!cache_cache.num);
	cache_cache.gfporder = order;/*确定分配给每个slab的页数的对数*/
	cache_cache.colour = left_over / cache_cache.colour_off;/*确定可用颜色的数目*/
	/*确定slab管理区的大小，即slab描述符以及kmem_bufctl_t数组*/
	cache_cache.slab_size = ALIGN(cache_cache.num * sizeof(kmem_bufctl_t) +
				      sizeof(struct slab), cache_line_size());

	/* 2+3) create the kmalloc caches */
	sizes = malloc_sizes;
	names = cache_names;

	/*
	 * Initialize the caches that provide memory for the array cache and the
	 * kmem_list3 structures first.  Without this, further allocations will
	 * bug.
	 */
    /*为了后面能够调用kmalloc()创建per-CPU高速缓存和kmem_list3高速缓存，
       这里必须先创建大小相应的general cache*/
	sizes[INDEX_AC].cs_cachep = kmem_cache_create(names[INDEX_AC].name,
					sizes[INDEX_AC].cs_size,
					ARCH_KMALLOC_MINALIGN,
					ARCH_KMALLOC_FLAGS|SLAB_PANIC,
					NULL);

	/*如果AC和L3在malloc_sizes中的偏移不一样，也就是说它们的大小不属于同一级别，
	 则创建L3的gerneral cache，否则两者共用一个gerneral cache*/
	if (INDEX_AC != INDEX_L3) {
		sizes[INDEX_L3].cs_cachep =
			kmem_cache_create(names[INDEX_L3].name,
				sizes[INDEX_L3].cs_size,
				ARCH_KMALLOC_MINALIGN,
				ARCH_KMALLOC_FLAGS|SLAB_PANIC,
				NULL);
	}

	slab_early_init = 0;

	/*创建各级的gerneral cache*/
	while (sizes->cs_size != ULONG_MAX) {
		/*
		 * For performance, all the general caches are L1 aligned.
		 * This should be particularly beneficial on SMP boxes, as it
		 * eliminates "false sharing".
		 * Note for systems short on memory removing the alignment will
		 * allow tighter packing of the smaller caches.
		 */
		if (!sizes->cs_cachep) {
			sizes->cs_cachep = kmem_cache_create(names->name,
					sizes->cs_size,
					ARCH_KMALLOC_MINALIGN,
					ARCH_KMALLOC_FLAGS|SLAB_PANIC,
					NULL);
		}
#ifdef CONFIG_ZONE_DMA
		sizes->cs_dmacachep = kmem_cache_create(
					names->name_dma,
					sizes->cs_size,
					ARCH_KMALLOC_MINALIGN,
					ARCH_KMALLOC_FLAGS|SLAB_CACHE_DMA|
						SLAB_PANIC,
					NULL);
#endif
		sizes++;
		names++;
	}
	/* 4) Replace the bootstrap head arrays */
	{
		struct array_cache *ptr;

		/*这里调用kmalloc()为cache_cache创建per-CPU高速缓存*/
		ptr = kmalloc(sizeof(struct arraycache_init), GFP_NOWAIT);

		BUG_ON(cpu_cache_get(&cache_cache) != &initarray_cache.cache);
		/*将静态定义的initarray_cache中的array_cache拷贝到malloc申请到的空间中*/
		memcpy(ptr, cpu_cache_get(&cache_cache),
		       sizeof(struct arraycache_init));
		/*
		 * Do not assume that spinlocks can be initialized via memcpy:
		 */
		spin_lock_init(&ptr->lock);

		/*将cache_cache与保存per-CPU高速缓存的空间关联*/
		cache_cache.array[smp_processor_id()] = ptr;

		/*为之前创建的AC gerneral cache创建per-CPU高速缓存，替换静态定义的initarray_generic.cache*/
		ptr = kmalloc(sizeof(struct arraycache_init), GFP_NOWAIT);

		BUG_ON(cpu_cache_get(malloc_sizes[INDEX_AC].cs_cachep)
		       != &initarray_generic.cache);
		memcpy(ptr, cpu_cache_get(malloc_sizes[INDEX_AC].cs_cachep),
		       sizeof(struct arraycache_init));
		/*
		 * Do not assume that spinlocks can be initialized via memcpy:
		 */
		spin_lock_init(&ptr->lock);

		malloc_sizes[INDEX_AC].cs_cachep->array[smp_processor_id()] =
		    ptr;
	}
	/* 5) Replace the bootstrap kmem_list3's */
	{
		int nid;

		for_each_online_node(nid) {
			
			/*为cache_cache的kmem_list3申请高速缓存空间，并替换静态定义的initkmem_list3*/
			init_list(&cache_cache, &initkmem_list3[CACHE_CACHE + nid], nid);

			/*为AC的kmem_list3申请高速缓存空间，并替换静态定义的initkmem_list3*/
			init_list(malloc_sizes[INDEX_AC].cs_cachep,
				  &initkmem_list3[SIZE_AC + nid], nid);

			if (INDEX_AC != INDEX_L3) {
			/*为L3的kmem_list3申请高速缓存空间，并替换静态定义的initkmem_list3*/
				init_list(malloc_sizes[INDEX_L3].cs_cachep,
					  &initkmem_list3[SIZE_L3 + nid], nid);
			}
		}
	}

	g_cpucache_up = EARLY;
}

• 前面大部分的代码都是围绕cache_cache展开的，主要是将cache_cache同静态kmem_list3进行关联，将cache_cache添加到cache_chain链表中，并且计算初始化内部的一些数据项
• 现在还没有高速缓存来存储cache_cache中的kmem_list3描述符和array_cache描述符，因此下面就要调用kmem_cache_create()建立高速缓存来存储这两种描述符
• 内核使用g_cpucache_up这个枚举量来表示slab分配器的初始化进度

static enum {
	NONE,
	PARTIAL_AC,
	PARTIAL_L3,
	EARLY,
	FULL
} g_cpucache_up;

这个值的更新是在kmem_cache_create()-->setup_cpu_cache()函数中进行更新的，每调用一次kmem_cache_create(),g_cpucache_up的值就加1，直到它等于EARLY，比如说第一次调用kmem_cache_create()创建了AC(array_cache)的高速缓存，那么g_cpucache_up由NONE变为PARTIAL_AC，那么下次调用kmem_cache_create()创建L3高速缓存时，内核就知道AC高速缓存已经准备好了，也就是说可以在array_cache高速缓存中为L3高速缓存描述符的array_cache描述符分配高速缓存空间了。

• 创建了AC和L3高速缓存后就循环创建各级普通高速缓存，此时创建的高速缓存都是完整的了！也就是说里面的结构变量都已经是存储在相应的高速缓存中
• 由于AC高速缓存已经创建，因此kmalloc()动态创建一个array_cache对象替换cache_cache的静态array_cache
• 由于AC高速缓存描述符本身的array_cache描述符还未动态创建，因此同样kmalloc()动态创建一个array_cache替换AC高速缓存的静态array_cache
• 为cache_cache,AC,L3高速缓存分别动态创建kmem_list描述符对象，替换静态的initkmem_list3
• 将g_cpucache_up置为EARLY,表示slab分配器的初始化已初步完成
  

slab分配器初始化工作的最后一步由kmem_cache_init_late()函数完成，这个函数就不做详细分析了，它的工作就是设置cache_cache和各级普通高速缓存中的array_cache本地高速缓存的相关属性

void __init kmem_cache_init_late(void)
{
	struct kmem_cache *cachep;

	/* 6) resize the head arrays to their final sizes */
	mutex_lock(&cache_chain_mutex);
	list_for_each_entry(cachep, &cache_chain, next)
		if (enable_cpucache(cachep, GFP_NOWAIT))
			BUG();
	mutex_unlock(&cache_chain_mutex);

	/* Done! */
	g_cpucache_up = FULL;   /*slab初始化完成*/

	/* Annotate slab for lockdep -- annotate the malloc caches */
	init_lock_keys();

	/*
	 * Register a cpu startup notifier callback that initializes
	 * cpu_cache_get for all new cpus
	 */
	register_cpu_notifier(&cpucache_notifier);

	/*
	 * The reap timers are started later, with a module init call: That part
	 * of the kernel is not yet operational.
	 */
}