内核中的几种内存分配器

内存管理是内核是最复杂同时也是最重要的一部分，其中就涉及到了多种内存分配器，如果内核初始化阶段使用的bootmem分配器，分配大块内存的伙伴系统，以及其分配较小块内存的slab、slub和slob分配器。

1.bootmem分配器

bootmem分配器用于在启动阶段早期分配内存。该分配器用一个位图来管理页，位图比特位的数目与系统中物理内存页的数目相同。比特位为1表示已用页，比特位为0，表示空闲页。在需要分配内存时，分配器逐位扫描位图，直至找到一个能提供足够连续页的位置，即所谓的最先最佳或最先适配位置。

该分配提供了如下内核接口：

内核接口	说明
alloc_bootmem alloc_bootmem_pages(size)	按指定大小在ZONE_NORMAL内存域分配内存
alloc_bootmem_low alloc_bootmem_low_pages(size)	功能同上，只是从ZONE_DMA内存域分配内存。
free_bootmem	释放内存

每个分配器必须实现一组特定的函数，用于内存分配和缓存：

kmalloc、__kmalloc和kmalloc_node是一般的内存分配函数。

kmem_cache_alloc、kmem_cache_alloc_node提供特定类型的内核缓存。

Functions (which can be used only by drivers directly linked into the kernel) that
perform allocation and freeing of memory at system bootstrap time.

2.slab分配器

功能：提供小的内存块，也可用作一个缓存。

分配和释放内存在内核代码上很常见。为了使频繁分配和释放内存所导致的开销尽量变小，程序员通常使用空闲链表。当分配的内在块不再需要时，将这块内存插入到空闲链表中，而不是真正的释放掉，这种空闲链表相当于内存块缓冲区。但这种方法的不足之处是，内核没有一种手段能够全局地控制空闲链表的大小，实时地更新这些空闲链表的大小。事实上，内核根本也不可能知道有多少空闲链表存在。

• 为了解决上述问题，内核心提供了slab层或slab分配器。它作为一个通用的内核数据结构缓冲层。slab层使用了以下几个基本原理：

• 经常使用的数据结构一般来说会被经常分配或释放，所以应该缓存它们。

• 频繁地分配和释放内存会导致内在碎片（不能找到合适的大块连续的物理地址空间）。为了防止这种问题，缓冲后的空闲链表被存放到连续的物理地址空间上。由于被释放的数据结构返回到了空闲链表，所以没有导致碎片。

• 在频繁地分配和释放内存空间在情况下，空闲链表保证了更好的性能。因为被释放的对象空间可立即用于下次的分配中。

• 如果分配器能够知道诸如对象大小、页大小和总的缓冲大小时，它可以作出更聪明的决定。

• 如果部分缓冲区对每-CPU变量，那么，分配和释放操作可以不需要SMP锁。

• 如果分配器是非一致内存，它能从相同的内存结点中完成分配操作。

• 存储的对象可以被着色，以防止多个对象映射到同一个缓冲。

linux中的slab层就是基于上述前提而实现的。

slab层将不同的对象进行分组，称之为“缓冲区(cache)”。一个缓冲区存储一种类型的对象。每种类型的对象有一个缓冲区。kmalloc()的实现就是基于slab层之上的，使用了一族通用的缓冲区。这些缓冲区被分成了一些slab。这些slab是由一个或多个物理上连续的页组成的。每个缓冲区可包含多个slab。

每个slab包含有一些数量的对象，也即被缓冲的数据结构。每个slab问量处于三种状态之间：满、部分满、空。当内核请求一个新的对象时，它总是先查看处于部分满状态的slab，查看是否有合适的空间，如果没有，则空的slab中分配空间。



每个缓冲区由一个kmem_cache结构来表示。该结构包含了三个链表：slabs_full,slabs_partial和slabs_emppty。存储在一个kmem_list3结构中。

slab分配器接口

接口名称	说明
kmem_cache_create	分配一个cache
kmem_cache_destroy	销毁一个cache
kmem_cache_alloc	从一个cache中分配一个对象空间
kmem_cache_free	释放一个对象空间到cache中

这些接口不宜在中断上下文中使用。