slab 内存分配器介绍(二)

原文地址：http://bbs.chinaunix.net/thread-2020986-1-1.html    最近看了一下slab的内容。简单写了个结构分析。 大家看看。 这里先感谢一下 hyl 和 Eric Xiao的帮助。 下面是正文： 主要数据结构: 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 }; 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; }; 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; }; cache由 kmem_cache_t(struct kmem_cache_s) 来描述. slab 由 struct slab 来描述 objec 由 kmem_bufctl_t 来描述 所有的kmem_cache_t 组成链表 cache_chain.该链表由信号量 cache_chain_sem来进行访问保护: static struct semaphore        cache_chain_sem; static struct list_head cache_chain; cache_chain 的第一个高速缓存是 cache_cache. 可以从名字看出来,这个是缓存的缓存.也就是说它存储的是其它缓存的缓存描述符. 高速缓存分为general 和 specific 两种. 对于general的高速缓存,就是cache_cache 和 13个 kmalloc caches. 其中这13个kmalloc caches 的大小呈几何分布:32,64, 128, ... 他们在malloc_sizes表中定义. specific 的高速缓存是由kmem_cache_create()来创建的. 在内核启动的时候,初始化函数kmem_cache_init()来初始化cache_chain. 实际上它创建了general的高速缓存并初始化相应的内容. 整个的cache_chain的情形如下图所示:   一个cache是包含若干个slab,每个slab又包含若干个object. 最终的object才是我们用来存储数据的memory 对于cache, slab, object 这里引用ULK3上的一张图来说明他们之间的关系:   对于每一个cache,其每个slab包含固定数目的连续页框, 由 cachep->gfporder 表示 对于指定的cache, 其object的大小都是固定的,由 cachep->objsize 表示 在cache中,每个slab中的object的个数也是固定的, 由 cachep->num 表示 因而,对于指定的cache,slab的大小也是固定的(sizeof(struct slab) + cachep->num * sizeof(kmem_bufctl_t)), 由 cachep->slab_size 表示 在创建cache的时候(kmem_cache_create()),我们只需要指定object的size,即 cachep->objsize是通过参数来确定的(kmem_cache_create()会根据对齐的要求对齐size) cachep->gfporder, 一个slab中object的个数,以及slab的大小都是根据kmem_cache_t->objsize 计算出来的. 对于cache描述符kmem_cache_t, slab描述符, 和object之间的结构关系,如下图所示:   如果需要从一个cache中分配一个object,则通过调用 kmem_cache_alloc()来实现: kmem_cache_alloc(kmem_cache_t *cachep, unsigned long flag); 上面介绍了高速缓存的基本概念,下面我们将介绍它和memory中的页框是如何关联到一起的. slab alloctor是通过buddy alloctor来申请页框的. 这在 kmem_cache_alloc() 中,通过调用kmem_getpages();而kmem_getpages()又会相应的调用alloc_pages(). 当一个页框被分配给slab之后,page->flag 中的 PG_slab会被置位.同时,该page描述符的lru会分别指向相应的cache和slab, 如下图所示:   object 描述符会紧挨着slab描述符来存放,他们的大小为: cachep->slab_size 对于slab描述符,会根据 cachep->objsize 的大小来确定是存放到 slab的内部还是外部. 如果是存放在内部,则会在 kmem_cache_alloc() 分配的页框中存放slab描述符和object描述符 如果是存放在外部,则会根据 cachep->slab_size 的大小, 从13个 kmalloc caches 中选择一个合适的来存放. object 描述符通常就是一个short int型的值, 对于一个slab,共有 cachep->num 个object 描述符 object描述符存放的是 下一个空闲object的下标, 它只有在object空闲的时候才有意义. 最后一个object描述符的值为 BUFCTL_END,用来标记object的结束. slab->s_mem 指向第一个object的地址, slab->free 指向下一个空闲object的下标,如果没有空闲的object,则为BUFCTL_END 因而,我们可以通过 slab->s_mem + slab->free * cachep->objsize 来找到当前第一个空闲的object的地址 通过(kmem_bufctl_t *)(slab + 1)[slab->free]得到下一个空闲object的下标                                        下图是一个简单的示例,来说明slab的结构:      这里再引用ULK3上的一幅图来做补充说明: