linux内核 - slab 分配器

一：概述

        slab 分配器是 kmalloc() 所依赖的分配器。消除由于内存分配和释放导致的碎片化问题——这种碎片化在使用伙伴系统分配小块内存时尤其明显；加快对常用对象的内存分配速度。

        在进行内存分配时，请求的大小会被向上取整为最接近的 2 的幂。伙伴分配器会在对应大小的空闲链表中查找。如果在该链表中没有合适的块，就会从更高一级的链表中取一个条目（该链表中的块大小是前一级的两倍），并将其分成两半（称为 伙伴）。分配器使用其中的一半，而另一半则被放入下一级的链表中。这个过程是 递归的，会一直持续下去，直到伙伴分配器成功找到一个可以拆分的块，或者已经到达最大块大小但仍然没有可用的空闲块为止。

        例如，如果最小分配单元是 1KB，而内存总大小是 1MB，那么伙伴分配器会创建多个空闲链表：分别对应 1KB 空闲块、2KB 空闲块、4KB 空闲块、8KB、16KB、32KB、64KB、128KB、256KB、512KB，以及 1MB 空闲块。

        现在我们来设想这样一个场景：如果我们想要分配一个 70KB 的内存块，伙伴分配器会将其向上取整为 128KB。接着，它会把 1MB 的内存块拆分成两个 512KB 块，再拆分为 256KB，最后拆分为 128KB。然后，它会将其中一个 128KB 的块分配给用户。

        

二：slab相关概念

       slab中的几个概念：

        Slab：由若干页框组成的一块连续物理内存。每个 slab 会被划分为大小相等的若干小块，用来存放特定类型的内核对象，例如 inode 或 mutex 对象。可以把 slab 看作是一个由相同大小块组成的数组。

        Cache：由一个或多个 slab 组成的链表。一个 cache 只存放同一类型的对象（例如只存放 inode 对象）。

        Slab有以下几种状态：

                  1. Empty（空）：slab 上的所有对象（小块）都被标记为空闲；

                  2. Partial（部分使用）：slab 上同时存在已使用和空闲的对象；

                  3. Full（已满）：slab 上的所有对象都被标记为已使用；

         

        内存分配器负责构建 cache。最初，每个 slab 都是空的，并被标记为 empty。
当为某个内核对象分配内存时，分配器会在该对象类型对应的 cache 中，查找一个 partial 或 free slab 上的空闲位置。如果没有找到，分配器就会分配一个新的 slab，并将其加入到该 cache 中。然后，从这个 slab 中分配对象，并将 slab 标记为 partial。当代码不再使用该内存（即释放内存）时，对象会被简单地返回到 slab cache 中，并保持在初始化状态。这就是为什么内核提供了辅助函数来获取 清零初始化的内存，从而避免残留之前的内容。slab 会维护一个引用计数，用来记录它有多少对象正在被使用。当某个 cache 中的所有 slab 都已满，而又有新的对象请求时，slab 分配器就会负责添加新的 slab。