slab机制的原理

slab获取 - 效率最高的获取方法

分配和释放数据结构是所有内核中最普遍的操作之一。为了便于数据的频繁分配和回收，常常会用到一个空间链表。它就相当于对象高速缓存以便快速存储频繁使用的对象类型。在内核中，空闲链表面临的主要问题之一是不能全局控制。当可用内存变得紧张的时候，内核无法通知每个空闲链表，让其收缩缓存的大小以便释放一些内存来。实际上，内核根本不知道有这样的空闲离岸边。为了弥补这一缺陷，也为了是代码更加稳固，linux内核提供了slab层(也就是所谓的slab分类器)，slab分类器扮演了通用数据结构缓存层的角色。slab分配器试图在如下几个原则中寻求一种平衡：

1.频繁使用的数据结构也会频繁分配和释放，因此应当缓存它们。

2.频繁分配和回收必然会导致内存碎片。为了避免这种情况，空闲链表的缓存会连续地存放。因为已释放的数据结构又会放回空闲链表，不会导致碎片。3.回收的对象可以立即投入下一次分配，因此，对于频繁的分配和释放，空闲链表能够提高其性能。4.如果让部分缓存专属于单个处理器，那么，分配和释放就可以在不加SMP锁的情况下进行。5.对存放的对象进行着色，以防止多个对象映射到相同的高速缓存行。

slab层把不同的对象划分为所谓的高速缓存组，其中每个高速缓存都存放不同类型的对象，每种对象类型对应一个高速缓存。kmalloc()接口建立在slab层上，使用了一组通用高速缓存。这些缓存又被分为slabs，slab由一个或多个物理上连续的页组成，一般情况下，slab也就仅仅由一页组成。每个高速缓存可以由多个slab组成。每个slab都包含一些对象成员，这里的对象指的是被缓存的数据结构，每个slab处于三种状态之一：满，部分满，空。当内核的某一部分需要一个新的对象时，先从部分满的slab中进行分配。如果没有部分满的slab，就从空的slab中进行分配。如果没有空的slab，就要创建一个slab了。

slab分配机制

slab分配器是基于对象进行管理的，所谓的对象就是内核中的数据结构（例如：task_struct,file_struct 等）。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，从而避免内部碎片。slab分配器并不丢弃已经分配的对象，而是释放并把它们保存在内存中。slab分配对象时，会使用最近释放的对象的内存块，因此其驻留在cpu高速缓存中的概率会大大提高。

内核中slab的主要数据结构

简要分析下这个图：kmem_cache是一个cache_chain的链表，描述了一个高速缓存，每个高速缓存包含了一个slabs的列表，这通常是一段连续的内存块。存在3种slab：slabs_full(完全分配的slab),slabs_partial(部分分配的slab),slabs_empty(空slab,或者没有对象被分配)。slab是slab分配器的最小单位，在实现上一个slab有一个货多个连续的物理页组成（通常只有一页）。单个slab可以在slab链表之间移动，例如如果一个半满slab被分配了对象后变满了，就要从slabs_partial中被删除，同时插入到slabs_full中去。

slab层实现原理

linux中的高速缓存是用所谓 slab 层来实现的，slab层即内核中管理高速缓存的机制。

整个slab层的原理如下：

可以在内存中建立各种对象的高速缓存(比如进程描述相关的结构 task_struct 的高速缓存)
除了针对特定对象的高速缓存以外，也有通用对象的高速缓存
每个高速缓存中包含多个 slab，slab用于管理缓存的对象
slab中包含多个缓存的对象，物理上由一页或多个连续的页组成
高速缓存->slab->缓存对象之间的关系如下图：

slab层的应用

slab结构体的定义参见：

struct slab {
    struct list_head list;   /* 存放缓存对象，这个链表有 满，部分满，空 3种状态  */
    unsigned long colouroff; /* slab 着色的偏移量 */
    void *s_mem;             /* 在 slab 中的第一个对象 */
    unsigned int inuse;         /* slab 中已分配的对象数 */
    kmem_bufctl_t free;      /* 第一个空闲对象(如果有的话) */
    unsigned short nodeid;   /* 应该是在 NUMA 环境下使用 */
};

slab层的应用主要有四个方法：

高速缓存的创建
从高速缓存中分配对象
向高速缓存释放对象
高速缓存的销毁

/**
 * 创建高速缓存
 */
struct kmem_cache *
kmem_cache_create (const char *name, size_t size, size_t align,
    unsigned long flags, void (*ctor)(void *))

/**
 * 从高速缓存中分配对象
 * @cachep - 指向高速缓存指针
 * @flags  - 之前讨论的 gfp_mask 标志，只有在高速缓存中所有slab都没有空闲对象时，
 *           需要申请新的空间时，这个标志才会起作用。
 *
 * 分配成功时，返回指向对象的指针
 */
void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags)

/**
 * 向高速缓存释放对象
 * @cachep - 指向高速缓存指针
 * @objp   - 要释放的对象的指针
 */
void kmem_cache_free(struct kmem_cache *cachep, void *objp)

/**
 * 销毁高速缓存
 * @cachep - 指向高速缓存指针 
 */
void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *cachep)

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