HelloOs总结之内存管理（下）

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4.3.2 Slab系统

   如上面所述，伙伴系统作为一个基础的内存分配算法，其很好的解决了外部碎片的问题，但是如果用户要求分配很小的内存空间，比如说几十个字节，那么如果直接使用buddy系统分配一个页框（也就是最小块4KB），那么会有大量的内部碎片。这时候就引出了另一种分配方案：Slab系统。
   所谓Slab系统，通俗地讲，就是专门为某一模块预先申请一定数量的内存备用，当这个模块想要使用内存的时候，就不需要从系统中分配内存了（从系统中申请内存比较耗时），而是直接从预先申请的内存中拿出一部分来使用。从某种角度来说，Slab系统就是一种缓存机制。
   对于Slab系统来说，其还有一个优点。就是其是基于对象进行管理的（这里所说的对象可以理解为内核的一些数据结构，如文件描述符、进程描述符等等，这些对象一般都具有固定的大小，而且大小一般都是几十到几百个字节）。相同类型的对象归为一类，每当要申请这样一个对象时，slab分配器就从一个slab列表中分配一个这样大小的单元出去，而当要释放时，将其重新保存在该列表中，而不是直接返回给伙伴系统，这样可以更快速的分配给下一个申请的对象，避免了重复的初始化过程。
   ok，简单总结一下Slab系统的优点：
   （1）、可以实现更小粒度的分配。
   （2）、使用缓存机制，基于对象进行管理，可以提高内核申请、释放相同对象的效率。

   HelloOs中虽然实现了Slab系统，但最终没在其他模块中用到这个系统，所以从某种程度上来说，HelloOs中的Slab系统是一个相对独立的模块（当然，其需要使用伙伴系统）。下面简单介绍Slab系统的实现过程。
   从某种程度上说，Slab系统的总体实现和伙伴系统很相似（尤其是其初始化时对其组织的方式）。不同的是，伙伴系统是管理一大块原始的内存区域，而Slab系统作为缓存机制，管理的是从伙伴系统中事先分配好的内存区域（也就是一般Slab系统是以伙伴系统为基础的）。
   同时，一般来说，我们设计Slab系统时，会统一管理不同档次的内存大小。如在HelloOs中是以32字节为一个档次，即32B、64B、96B、128B、 … 4K大小，总共128个档次。如果需要向Slab系统申请一个大小为60字节的对象时，会自动对齐到64B,所以会从64B档次的对象池中分配一个对象。
   在HelloOs中用struct kmem_cache来描述一个slab档次，其具体成员如下图4.13所示。

图4.13 keme_cache 结构体示意图

   对于slab系统来说，对其管理主要有如下几个步骤，如下图4.14所示。

图4.14 Slab使用流程

   下面简要分析以上四个步骤：
   （1）、初始化阶段。这个阶段使用kmem_cache_create函数从伙伴系统中获得所管理的内存空间，并将其串在一起（按照kmem_cache档次的大小）。注意，这个函数只是针对一个slab档次，也就是一个kmem_cache 进行初始化，所以对于HelloOs来说，其需要调用这个函数初始化127次。
   哦，还需要注意一点，给kmem_cache分配内存空间（这里的内存空间就是利用伙伴系统分配页框）时，一般是按照一定的规则进行分配，HelloOs中使用的规则是：kme_cache的档次大小size小于等于分配页框的10%（即分配的页框至少可以分配10次）。HelloOs中使用find_right_order这个函数来实现这个功能。
   一个keme_cache初始化之后，其示意图如下图4.15所示。

图4.15 slab 初始化后示意图

   （2）、分配阶段。上层系统调用kmem_cache_alloc 从相应的kmem_cache中分配一个对象块给上层。这里对象块就是kmem_cache档次的大小。
   （3）、回收阶段。上层调用kmem_cache_free释放对象块的大小。这里Slab系统并不真正释放对象块的内存空间，而是把对象块回收起来，以便下次分配。
   （4）、销毁阶段。这个阶段和初始化阶段相对应，Slab系统把所占用的内存空间释放，归还给伙伴系统。

   以上就是Slab系统的一些内容，当然，真正广泛应用的Slab系统（如linux中），slab系统实现要复杂的多，但原理大同小异。这里仅是抛砖引玉，想深入了解的，可以查阅相关资料。这里可以推荐几个网址：
（1）、https://blog.csdn.net/qq_22238021/article/details/80214759
（2）、https://blog.csdn.net/zhouwei1221q/article/details/48242535
（3）、https://juejin.im/post/6844904083573178382#heading-12
（4）、https://zhuanlan.zhihu.com/p/61457076

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好了到这儿，内存管理就算总结完了。
看个视频，休息一会，整理心情，继续出发。