物理内存分配与回收（3） 之slab分配机制

采用伙伴算法分配内存时，每次至少分配一个页面。但当请求分配的内存大小为几十字节或几百字节时又应如何处理？如何在一个页面中分配小的内存区？小内存区的分配所产生的内碎片又如何解决？

内存管理的开发者采用了一种叫做Slab的分配模式，Slab分配器是基于对象进行管理，相同类型的对象归为一类（如进程描述符就是一类）。当要申请这样一个对象时，Slab分配器就从Slab列表中分配一个这样大小的的单元出去，当要释放时，将其重新保存在该列表中。当以后要请求新对象时，就可以从内存直接获取而不用重复初始化。

Slab的提出基于以下几点考虑：

（1）内核对内存区的分配取决于所存放数据的类型。例如，当给用户进程分配页面时，内核调用__get_free_pages()函数，并用0填充所分配的页面。而给内核数据结构分配页面时，则需要一定的操作，要对数据结构所在的内存初始化，不用的时候要收回内存区。因此，Slab中引入了对象的概念，所谓对象就是存放一组数据结构的内存区，其方法则是用构造或析构函数（初始化与回收内存区）。为了避免从父初始化对象，Slab分配模式并不丢弃已分配的对象，而是释放但把他们依然保留在内存中。当以后又要调用分配用一对象时，就可以直接在内存获取而不用进行初始化。

Linux中对Slab分配模式有所改进，它对内存区的处理并不需要进行初始化或回收。处于效率的考虑，Linux并不调用对象的构造或析构函数，而是把指向这两个函数的指针都置为空。Linux中引用了Slab的主要目的是为了减少对伙伴算法的调用次数。

（2）实际上，内核经常反复时用某一内存区。例如，只要内核创建一个新的进程，就要为该进程相关的数据结构（PCB，打开文件对象等）分配内存区。当进程结束时，收回这些内存区。因为进程的创建和撤销都十分的频繁，因此，Linux的早期版本把大量的时间花费在反复分配或回收其内存。从Linux2.2开始，把那些频繁使用的页面保存在高速缓存区中并重新使用（在开机时创建好，需要时直接调用，不需要时从哪取的还回去）。

（3）可以根据内存区的使用频率对其分类。对于预期频繁使用的内存区，可以创建一组特定大小的专用缓冲区来进行处理，以避免内碎片的产生。对于较少使用的内存区，可以创建一组通用缓冲区来处理，即使这种处理模式产生碎片，也对整个系统的性能影响不大。

（4）硬件高速缓存的使用，又为尽量减少对伙伴算法调用提供了另一个理由，因为对伙伴算法的每次调用都会弄脏硬件高速缓存。因此，这就增加了对内存的平均访问次数。

Slab分配模式把对象分组放进缓冲区（尽管英文中使用了Cache这个词，但实际上指的是内存中的区域，而不是指硬件高速缓存）。因为缓冲区的组织和管理与硬件高速缓存的命中率密切相关，因此，Slab缓冲区并非由各个对象直接构成，而是由一连串的“大块(Slab)“构成。而每个大块中则包含了若干个同类型的对象，每个大块中则包含了若干个同类型的对象。



实际上，缓冲区就是主存中的一片区域，把这片区域划分为多个块，每块就是一个Slab，每个Slab由一个或多个页面组成，每个Slab中存放的就是对象。

1.Slab专用缓冲区的建立和释放

专用缓冲区主要用于频繁使用的数据结构。在开机时建立一定数量的Slab专用缓冲区，当特有的进程需要时，直接从专用缓冲区取出来直接用，用完后还给缓冲区，等待下一个特定的进程使用。缓冲区用kmem_cache_t类型描述的，通过keme_cache_create()来建立的，函数原型为：

keme_cache_t *keme-cache_create(const char *name. size_t size, size_t offset, unsigned long c_flags,

void(*ctor )(void *objp, keme_cache_t *cachep, unsigned long flags),

void(*dtor )(void *objp, keme_cache_t *cachep, unsigned long flags))

（1）name：缓冲区名（19个字符）。

（2）size：对象大小。

（2）offset：在缓冲区内第一个对象的偏移，用来确定在页内进行对齐的位置，缺省为0，表示标准对齐。

（4）c_flags：对缓冲区的设置标志如下。

a. SLAB_HWCACHE_ALIGN：表示与第一个缓冲区的缓冲行边界（16或32字节）对齐。

b. SLAB_NO_PEAP：不允许系统回收内存。

c. SLAB_CACHE_DMA：表示Slab使用的是DMA内存。

（5）ctor：构造函数（一般为NULL）。

（6）dtro：析构函数（一般为NULL）。

（7）objp：指向对象的指针。

（8）cachep：指向缓冲区。

但是，函数kmem_cache_create()所创建的缓冲区还没有包含任何Slab，因此，也没有空闲的对象，只有以下两种的条件都为真时，才给缓冲区分配slab。

（1）已发出一个分配新对象的请求。

（2）缓冲区不包含任何空闲对象。（不包含对象才需要分配）

当从内核卸载一个模块时，同时需要撤销这个模块中的数据结构所建立的缓冲区，这是通过kmem_cache_destroy()函数完成的‘

创建缓冲区后，就可以通过下列函数从中获取对象：

void *kmem_cache_alloc(kmem_cache_t *cachep, int flags)

该函数从给定的缓冲区cachep中返回一个指向对象的指针。如果缓冲区中所有的Slab中都没有空闲的对象，那么Slab必须调用__get_free_pages()获取新的页面，flags是传地给该函数的值，一般应该是GFP_KERNEL或GFP_ATOMIC。

最后一个释放对象，并把它返回给原先的Slab，可以用下面这个函数：

void kmem_cache_free(keme_cache_T *cachep, void *objp)

该函数将对象还给缓存，并让其标记为空闲状态。

2.Slab分配举例

下面举一个例子，这个例子是用task_struct 结构（进程控制块），代码取自kernel/fork.c

keme_cache_t *task_struct_cachep; //首先，用一个全局变量存放指向task_struct 缓冲区的指针，内核初始化期间，在fork_init（）中会创建缓冲区

task_struct_cachep = kmem_cache_create("task_struct", sizeof(struct task_struct), 0, SLAB_HWCACHE_ALIGN，NULL，NULL); //这样就创建了一个名为task_strutc_cachep的缓冲区，其中存放的就是类型为 struct task_struct 的对象。

if(!task_struct-cachep) //这种情况下，如果内核不能创建task_struct_cachep缓冲区，它就会陷入混乱，因为这时系统操作一定要用到该缓冲区（没有进程控制块，操作系统自然不能正常运行）。

printk("fork_init():cannot create task_struct SLAB cache");

struct task_struct *tsk;

tsk = kmem-cache_alloc(task_struct_cachep, GFP_KERNEL);

if(!tsk) {

/*不能分配进程控制块，清除，并返回错误代码*/

...

return NULL;

}

keme_cache_free(task_struct _cachep, tsk); //进程执行完，如果没有子进程在等待，它的进程控制块就会被释放，并返会给task_struct_cachep slab缓冲区。

int err;

err = kmem_cache_destroy(task_struct_cachep); //销毁该缓冲区

if(err)

/* 出错，撤销缓冲区*/

如果要频繁创建很多相同类型的对象，那么就应该考虑使用Slab缓冲区。确切地说不要自己去实现空闲链表。

通用缓冲区在下篇讲到。