浅析linux内核内存管理之内存池

内存池(memory pool)是linux 2.6的一个新特性。内核中有些地方的内存分配是不允许失败的。为了确保这种情况下的成功分配，内核开发者建立了一种称为内存池的抽象。内存池其实就是某种形式的后备高速缓存，它试图始终保存空闲的内存，以便在紧急状态下使用。下边是内存池对象的类型：

 typedef struct mempool_s {
     spinlock_t lock;        /*用来保护对象字段的自旋锁*/
     int min_nr;     /*内存池中元素的最大个数*/
     int curr_nr;        /*当前内存池中元素的个数*/
     void **elements;        /*指向一个数组的指针，该数组由指向保留元素的指针组成*/


     void *pool_data;        /*池的拥有者可获得的私有数据*/
     mempool_alloc_t *alloc; /*分配一个元素的方法*/
     mempool_free_t *free;   /*释放一个元素的方法*/
     wait_queue_head_t wait; /*当内存池为空时使用的等待队列*/
 } mempool_t;

下面介绍一些API，这些API的内核源码不过二百多行：

创建内存池对象，mempool_create():

 mempool_t * mempool_create(int min_nr, mempool_alloc_t *alloc_fn, mempool_free_t *free_fn, void *pool_data);

min_nr参数表示的是内存池应始终保持的已分配对象的最少数目，对象的实际分配和释放由alloc_fn和free_fn函数处理，其原型如下：

 typedef void *(mempool_alloc_t)(int gfp_mask, void *pool_data);
 typedef void mempool_free_t(void *element, void *pool_data);

mempool_create的最后一个参数，即pool_data，被传入alloc_fn和free_fn。

在建立内存池之后，可如下所示分配和释放对象：

 void *mempool_alloc(mempool_t *pool, int gfp_mask);
 void mempool_free(void *element, mempool_t *pool);

在创建mempool时，就会多次调用分配函数为预先分配的对象创建内存池，创建的对象个数为min_nr的大小。之后，对mempool_alloc()的调用将首先通过分配函数获得该对象；如果该分配失败，就会返回预先分配的对象(如果存在的话)。如果使用mempool_free释放一个对象，则如果预先分配的对象数目小于要求的最低数目，就会将该对象保留在内存池中；否则，该对象会返回给系统。

可以调用下面的函数来调整mempool的大小：

 int mempool_resize(mempool_t *pool, int new_min_nr, int gfp_mask);

可以使用下面的函数将内存池返回给系统：

 void mempool_destroy(mempool_t *pool);

在销毁mempool之前，必须将所有已分配的对象返回到内存池中，否则会导致内核oops。

下边是自己编写的一个测试程序：

 #include <linux/init.h>
 #include <linux/module.h>
 #include <linux/kernel.h>
 #include <linux/slab.h>
 #include <linux/errno.h>
 #include <linux/mempool.h>
 #include <linux/gfp.h>
 #include <linux/delay.h>

 struct my_mempool{
     int val;
 };
 #define MY_MIN_MEMPOOL 20

 struct kmem_cache * mempool_cachep = NULL;
 mempool_t * my_pool = NULL;
 struct my_mempool * mempool_object = NULL;

 static int __init mempool_init(void){
     printk("memory pool test module init!\n");
     mempool_cachep = kmem_cache_create("mempool_cachep", sizeof(struct my_mempool), 0, 0, NULL);
     if(!mempool_cachep)
         return -ENOMEM;
     my_pool = mempool_create(MY_MIN_MEMPOOL, mempool_alloc_slab, mempool_free_slab, mempool_cachep);
     if(!my_pool)
         return -ENOMEM;
     mempool_object = (struct my_mempool *)mempool_alloc(my_pool, GFP_KERNEL);
     if(mempool_object)
         printk("one object has been allocated!\n");
     else
         goto fail;
     printk("memory pool curr_nr is %d, min_nr is %d\n", my_pool->curr_nr, my_pool->min_nr);
     mempool_free(mempool_object, my_pool);
     return 0;
 fail:
     mempool_destroy(my_pool);
     kmem_cache_destroy(mempool_cachep);
     return -1;
 }

 static void __exit mempool_exit(void){
     printk("memory pool test module exit!\n");
     if(my_pool){
         mempool_destroy(my_pool);
         printk("mempool has been destroy!\n");
     }

     if(mempool_cachep){
         kmem_cache_destroy(mempool_cachep);
         printk("cache has been destroy!\n");
     }
 }

 module_init(mempool_init);
 module_exit(mempool_exit);
 MODULE_AUTHOR("[email protected]");
 MODULE_LICENSE("GPL");

这里创建了一个名为mempool_cachep的cache，然后又创建了一个memory pool，它的pool_data传的是指向cache的指针，表示这个memory pool是被用来保存slab对象的。这里分配一个object，然后cat /proc/slabinfo发现mempool_cachep的被使用object增加了1个，说明memory pool并没有从自己的那20个object中取得对象，而是从slab对象的cache中。其实，memory pool就相当于一种家里攒点钱留着保命的策略，在cache里有对象的时候就从cache分配，如果cache没有空闲object了，会调用cache_grow()分配新的slab。如果连cache都无法从系统获得slab了，那才开始使用那些为了保命攒下的“钱”。memory pool使用的那20个object是从slab的cache中分配的，所以释放的时候，要现释放memory pool，这样那20个object才会释放回cache，然后cache没有对象被使用才可以正确的释放了。