13.slab分配器

首先可以通过该博客：http://www.cnblogs.com/liloke/archive/2011/11/20/2255737.html了解cache的工作原理

Linux内核中有许多内存动态分配的需求，而其中的对象大小也参差不齐，LINUX内核提供了slab层，扮演了通用数据结构缓存层的角色。slab根据对象的类型来分组不同的Cache,每个Cache存放不同类型的对象，例如，一个Cache被用来存储task_struck，而另一个存放Inode等，这些Cache包含几个slab，而slab由一个或多个物理上连续的page组成。对于一般的数据结构，每个slab只有一个slab来分配即可。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缓存

每个缓存结构都包括了两个重要的成员：

struct kmem_list3 **nodelists：kmem_list3结构中包含了三个链表头，分别对应于完全用尽的slab链表，部分用尽的slab链，空闲的slab链表，其中部分空闲的在最开始
struct array_cache *array[NR_CPUS + MAX_NUMNODES]：array是一个数组，系统中的每一个CPU，每一个内存节点都对应该数组中的一个元素。array_cache结构包含了一些特定于该CPU/节点的管理数据以及一个数组，每个数组元素都指向一个该CPU/节点刚释放的内存对象。该数组有助于提高高速缓存的利用率。
- 当释放内存对象时，首先将内存对象释放到该数组中对应的元素中
- 申请内存时，内核假定刚释放的内存对象仍然处于CPU高速缓存中，因而会先从该数组的对应数组元素中查找，看是否可以申请。
- 当特定于CPU/节点的缓存数组是空时，会用slab缓存中的空闲对象填充它

因此，对象分配的次序为：

特定于CPU/节点的缓存列表中的对象
当前已经存在于slab缓存中中的未用对象
从伙伴系统获得内存，然后创建的对象

slab分配器的实现

.使用的数据结构

linux使用struct kmem_cache表示slab缓存，使用struct kmem_list3管理缓存所对应的slab链表的链表头，使用struct array_cache管理特定于CPU的slab对象的缓存(注意不是slab缓存是slab对象的缓存)。

2.内核采用的其它保护机制

为了检测错误，内核采用了一些机制来对内存进行保护，主要的方法有：
危险区：在每个对象的开始和结束处增加一个额外的内存区，其中会填充一些特殊的字段。如果这个区域被修改了，可能就是某些代码访问了不该访问的内存区域
对象毒化：在建立和释放slab时，将对象用预定义的模式填充。如果在对象分配时发现该模式已经改变，就可能是发生了内存越界。

3.初始化

slab分配器的初始化涉及到一个鸡与蛋的问题。为了初始化slab数据结构，内核需要很多远小于一页的内存区，很显然由kmalloc分配这种内存最合适，但是kmalloc只有在slab分配器初始化完才能使用。内核借助一些技巧来解决该问题。
kmem_cache_init函数被内核用来初始化slab分配器。它在伙伴系统启用后调用。在SMP系统中，启动CPU正在运行，其它CPU还未初始化，它要在smp_init之前调用。slab采用多步逐步初始化slab分配器，其工作过程：
创建第一个名为kmem_cache的slab缓存，此时该缓存的管理数据结构使用的是静态分配的内存。在slab分配器初始化完成后，会将这里使用的静态数据结构替换为动态分配的内存。
初始化其它的slab缓存，由于已经初始化了第一个slab缓存，因此这一步是可行。
将初始化过程由于“鸡与蛋”的问题而使用的静态数据结构替换为动态分配的。

4.API

1.创建缓存

slab分配器使用kmem_cache_create创建一个新的slab缓存。该函数的基本工作过程为：

参数检查
计算对齐
分配缓存的管理结构所需的内存
计算slab所需的物理内存大小以及每个slab中slab对象的个数
计算slab管理部分应该放在哪里，并存储在缓存的flags域中
计算slab的颜色，颜色数目存在color中，颜色偏移量存在color_off中
建立每CPU的缓存
将新创建的缓存添加到全局slab缓存链表slab_caches中

2.分配对象

kmem_cache_alloc用于从指定的slab缓存分配对象。与kmalloc相比，它多了一个缓存指针的参数，用于指向所要从其中分配内存的缓存。
其工作过程如图：

在NUMA系统中，如果在本节点分配失败，还会尝试其它节点。

cache_grow用于缓存的增长，它会从伙伴系统获取内存。其流程如图所示：

3.释放对象

kmem_cache_free用于将对象归还给指定的slab缓存，类似于kmem_cache_free，它比kfree多了一个指向所归还到的slab缓存指针参数。其流程如图：

free_block会将缓存中前batchcount个对象移动到slab链表中，并且将缓存中剩余的对象向数组的头部移动。根据slab对象所属的slab的状态(inuse域)，slab对象可能被归给给部分空闲链表（如果该slab中有些slab对象正在被使用）或者空闲链表（该slab中没有其它对象正在被使用），同时如果加入到空闲slab链表中的slab对象数目超过了free_limit的限制（在kmem_list3结构中），则会调用slab_destroy销毁slab。