[内核内存] slab分配器3---kmem_cache_init函数源码详解

kmem_cache_init函数源码详解

//mm/slab.c
/*
 * Initialisation.  Called after the page allocator have been initialised and
 * before smp_init().
 *slab系统初始化时伙伴系统已经初始化,但在多处理器系统上，启动CPU此时正在运行, 而其他CPU尚未初始化.
 */
void __init kmem_cache_init(void)
{
	int i;

	BUILD_BUG_ON(sizeof(((struct page *)NULL)->lru) <
					sizeof(struct rcu_head));
    /*
     *(1)kmem_cache_boot为编译时创建的静态数据，使用时不用内存分配，用作slab系统的第一个slab cache，为其它所有
     *   的struct kmem_cache结构分配obj.
     *(2)kmem_cache是一个全局的静态变量struct kmem_cache *kmem_cache
     *(3)将编译时创建的静态数据变量kmem_cache_boot的地址赋值给全局静态变量kmem_cache
     */
	kmem_cache = &kmem_cache_boot;

	if (!IS_ENABLED(CONFIG_NUMA) || num_possible_nodes() == 1)
		use_alien_caches = 0;
	/*
	 *初始化静态定义的kmem_cache_node数组成员
	 *	a.NUM_INIT_LISTS = 2 * MAX_NUMNODES,可以看出给每个node静态定义了两个kmem_cache_node变量，why？
	 *  b.实际上init_kmem_cache_node是为slab系统初始化过程中前两个struct kmem_cache实例的node成员提供存储空间,
	 *    因为这两个实例初始化时，slab系统还未启动完全，因此仍然只能用静态变量的形式给他们的node成员提供存储空间
     *	  (1)第一个stcruct kmem_cache实例，就是函数开始时进行赋值操作的全局静态变量kmem_cache，该实例给其他
	 *       stcrut kmem_cache结构的创建提供内存空间（字节计数的小块内存）
	 *	  (2)第二个struct kmem_cache实例是创建struct kmem_cache_node结构的slab cache描述符，该实例就是给stuct
	 *		 kmem_cache_node结构数据提供小块内存。 
	 *ps:全局静态变量kmem_cache使用时虽然不用分配内存，但是它的node成员只是一个地址指针，它指向的区域还没有分配
	 *内存空间，此时slab系统仍然未初始化完全，所以仍然只能用静态变量预定义的方式，来为kmem_cache的node成员指向的
	 *区域分配空间。
	 */
	for (i = 0; i < NUM_INIT_LISTS; i++)
		kmem_cache_node_init(&init_kmem_cache_node[i]);

	/*
	 * Fragmentation resistance on low memory - only use bigger
	 * page orders on machines with more than 32MB of memory if
	 * not overridden on the command line.
	 */
	if (!slab_max_order_set && totalram_pages > (32 << 20) >> PAGE_SHIFT)
		slab_max_order = SLAB_MAX_ORDER_HI;

	/* Bootstrap is tricky, because several objects are allocated
	 * from caches that do not exist yet:
	 * 1) initialize the kmem_cache cache: it contains the struct
	 *    kmem_cache structures of all caches, except kmem_cache itself:
	 *    kmem_cache is statically allocated.
	 *    Initially an __init data area is used for the head array and the
	 *    kmem_cache_node 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 kmem_cache and the first
	 *    kmalloc cache with kmalloc allocated arrays.
	 * 5) Replace the __init data for kmem_cache_node for kmem_cache and
	 *    the other cache's with kmalloc allocated memory.
	 * 6) Resize the head arrays of the kmalloc caches to their final sizes.
	 */

	/* 1) create the kmem_cache */

	/*
	 * struct kmem_cache size depends on nr_node_ids & nr_cpu_ids
	 *初始化 boot kmem_cache：主要是给第一个slab cache的各个成员赋值：
	 *	(a)kmem_cache->node:指向init_kmem_cache_node的前一半空间.
	 *  (b)kmem_cache->cpu_cache:通过__alloc_percpu函数来给该Per_CPU变量分配存储空间（分配array_cache实例）.
	 *	   这时启动cpu正在运行，其他cpu还未初始化。这个时候只是按照固定大小给每个cpu分配一个本地高速缓存，且不会
	 *	   给kmem_cache->node数组成员的每个节点的分配共享cpu高速缓存,即是kmem_cache->shared=0.后面待所有cpu都
	 *     初始化完全后，会调用kmem_cache_init_late函数完善cache_chain链表上所有struct kmem_cache实例的cpu本
	 *     地高速缓存和其每个节点共享cpu缓存的实现。
	 *  (c)函数的第3个参数表示的是kmem_cache中每个slab obj的大小，SLAB_HWCACHE_ALIGN要求按硬件的cache line对
	 *     齐(一个或多个slab obj按硬件的cache line对齐)
	 */
	create_boot_cache(kmem_cache, "kmem_cache",
		offsetof(struct kmem_cache, node) +
				  nr_node_ids * sizeof(struct kmem_cache_node *),
				  SLAB_HWCACHE_ALIGN);
    //boot kmem_cache初始化完后，将其加入到slab_caches全局链表中.
	list_add(&kmem_cache->list, &slab_caches);
    //slab_state全局的enum类型，表示slab系统初始化当前处于哪个状态状态
	slab_state = PARTIAL;

	/*2)-4)步骤执行
	 * Initialize the caches that provide memory for the  kmem_cache_node
	 * structures first.  Without this, further allocations will bug.
	 *创建第二个slab cache描述符，并将该描述符存储在kmalloc_caches全局数组中:
	 *  (a)kmalloc_caches是一个全局变量（struct kmem_cache *kmalloc_caches[KMALLOC_SHIFT_HIGH + 1]），数组中
	 *     存储的是通用slab cache描述符（struct kemem_cache实例).kmalloc函数分配内存的时候，会根据所需要分配的
	 *     空间的大小,计算出一个索引值，然后利用索引值在kmalloc_caches数组中找到对应的kmem_cache实例，用该实例来
	 *     分配slab obj.
	 *  (b)kmalloc_size：(1)中讲到会根据kmalloc函数参数中分配内存的大小（size）获取到其对应slab cache描述符在
	 *     kmalloc_caches数组中的索引index，这我们可以利用文档后面的kmalloc_index函数来获取：
	 *						 index = kmalloc_index(size)
	 *		而kmalloc_size函数是利用index来获得size:
	 *						 size  = kmalloc_size(index) 
	 *  (c)#define INDEX_NODE kmalloc_index(sizeof(struct kmem_cache_node))
	 * 由上面的信息可以看出，此处就是创建一个struct kmem_cache_node结构体对应的slab cache描述符，然后将该slab 
	 * cache描述符存储在通用slab cache描述符数组kmalloc_caches的INDEX_NODE索引处（INDEX_NODE根据struct 
	 * kmem_cache_node结构体的大小获取）。
	 * ps:1.该函数结束后全局数组kmalloc_caches只有INDEX_NODE索引出由数据，其他位置仍然未赋值。
	 *	  2.kmalloc_caches[INDEX_NODE]对应的slab cache描述符除了再全局数组中，还会添加到slab_caches链表中.
	 *    3.第二个slab cache描述（kmalloc_caches[INDEX_NODE]），它的node成员指向的区域是init_kmem_cache_node
	 *		数组的后半部分，也是静态定义的数据区
	 */
	kmalloc_caches[INDEX_NODE] = create_kmalloc_cache("kmalloc-node",
				kmalloc_size(INDEX_NODE), ARCH_KMALLOC_FLAGS);
    //kmalloc size for node struct available,该状态下kmalloc函数能为struct kmem_cache_node结构体分配内存了
	slab_state = PARTIAL_NODE;
	setup_kmalloc_cache_index_table();

	slab_early_init = 0;

	/* 5) Replace the bootstrap kmem_cache_node */
	/*
	 *此时slab_state = PARTIAL_NODE，也就是slab系统中的kmalloc能够动态地为struct kmem_cache_node结构分
	 *配内存了.下面代码块的工作是将slab系统初始化时最先创建的两个slab cache描述符实例中的node指向的静态数据区替
	 *换成kmalloc动态分配内存区.
	 * (a)对于kmem_cache: 用kmalloc函数动态地为每个节点分配一个struct kmem_cache_node，然后将kmem_cache->node
	 *    指向的静态数据区中的内容按节点先后顺序拷贝到新分配struct kmem_cache_node中，最后将kmem_cache->node指
	 *    向新分配struct kmem_cache_node的地址处
	 * （b）对于kmalloc_caches[INDEX_NODE]：处理方式同上.
	 *替换的原因貌似是静态定义的__initdata在某个时刻会被自动释放。
	 */
    {
		int nid;

		for_each_online_node(nid) {
            
            init_list(kmem_cache, &init_kmem_cache_node[CACHE_CACHE + nid], nid);

			init_list(kmalloc_caches[INDEX_NODE],
					  &init_kmem_cache_node[SIZE_NODE + nid], nid);
		}
	}
	/*
	 *(1)丰富kmalloc_caches全局数组中通用slab cache描述符的类型，[0,PAGE_SHIFT)区间内每个元素都为其分配一个对应
	 *   的slab cache描述符，并指向它.这样更多不同大小的内存块分配需求都能很快通过kmalloc函数来满足.比如：
	 *   kmalloc_caches[1]对应的slab cache描述符能满足0-8字节内的所有内存分配需求，kmalloc_caches[2]能满足8-16
	 *   字节内的所有内存分配依次类推.....
	 *(2)这样能提高slab系统kmalloc函数内存分配速度：因为各种大小区间的slab cache描述已经换成在全局数组中，
	 *   kmalloc分配内存时不需临时分配slab cache描述符。另外这些slab cache描述符中还缓存了很多未释放到伙伴系统
	 *   中的同等大小的内存块对象(slab obj)，甚至有些slab obj还在本地cpu高速缓存中。
	 */
	 */
	create_kmalloc_caches(ARCH_KMALLOC_FLAGS);
}