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技术 2022年11月23日
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内核分配器的功能

在操作系统管理的虚拟内存中,用于内存管理的最小单位是页,大多数传统的架构是4KB。由于进程每次申请分配4KB是不现实的,比如分配几个字节或几十个字节,这时需要中间机制来管理页面的微型内存。

为此,内核实现了一个分配器来管理页中碎片内存的分配和回收。可以把分配器理解为一个零售供应商:它收购大量的库存(4KB大小的页),然后在模块需要时分成小块出售。这种分配的基本版就是SLAB。

SLAB

当内核子系统为对象请求、释放数据时,主要的开销在于初始化、销毁过程,而不是为对象分配的内存。如果有一组经常使用的内核对象,那么可以将它们保存在一个可快速使用的地方,使整个过程更有效率。

这就是SLAB的原理:分配器跟踪这些块,称为缓存,当收到为某种类型的数据对象分配内存的请求时,它可以立即使用已经分配过的来满足请求。这种情况下,SLAB是内存中包含预先分配的内存块的一个或多个连续页面。

SLAB可能存在以下状态之一:

  • empty:SLAB中所有对象都是空闲的
  • partial:SLAB中包含被分配的对象和空闲对象
  • full:SLAB中所有对象都被分配

分配器的目的是尽可能快的处理请求,因此跟踪过程至关重要,这个过程通过缓存完成,而每种对象类型都有一个缓存。

SLUB

SLUB是SLAB的变体,旨在实现更好的调试、更少的碎片和更好的性能。它沿用SLAB的基本功能,优化了SLAB中多处理器的设计缺陷。自从2008年Linux 2.6.23以来SLUB被设置为默认分配器。

接下来会观察SLUB的实现细节,并通过常用的场景给出示例。

SLAB中的对象通过链表互相连接,这样分配器总是可以找到下一个空闲对象,而不需要关心已经使用的数据:

SLUB和SLAB不同:指向下一个空闲对象的指针直接存储在对象本身内部的结构体中,并不需要额外的内存空间进行存储,且保证SLAB功能100%的利用效率。在某些特殊情况,指针存储在对象结构体中的一个偏移量里面,这根据不同平台的CPU而定。

上图中objsize表示对象自身的大小,offset是next指针之前的空间大小,size是总大小。

所有的这些信息,以及更多的信息,都存储在一个kmem_cache结构体中,它的结构体定义如下:

/*
* Slab cache management.
*/
struct kmem_cache {
struct kmem_cache_cpu __percpu *cpu_slab;
/* Used for retrieving partial slabs, etc. */
slab_flags_t flags;
unsigned long min_partial;
unsigned int size;/* The size of an object including metadata */
unsigned int object_size;/* The size of an object without metadata */
unsigned int offset;/* Free pointer offset */
......
struct kmem_cache_node *node[MAX_NUMNODES];
}

每个对象有且只有一个kmem_cache,并且该对象的所有slab都由相同的kmem_cache管理,这些结构体通过双向链表互相链接,可以通过导出的slab_caches变量从内核中的任何位置访问。slab_caches定义如下:

extern struct list_head slab_caches;  // list_head用于管理双向链表

kmem_cache结构体中,存储了两种指针以跟踪对象:一个kmem_cache_node数组,是结构体最后一个成员struct kmem_cache_node *node[MAX_NUMNODES] ;另一个是指向kmem_cache_cpu的指针,结构体第一个成员struct kmem_cache_cpu __percpu *cpu_slab

  • kmem_cache_node跟踪不活动的partial和full的对象,在空闲的情况被访问,或者当活动的slab被填满时用另一个partial替换它:

    /*
    * The slab lists for all objects.
    */
    struct kmem_cache_node {
    spinlock_t list_lock;#ifdef CONFIG_SLAB
    struct list_head slabs_partial;/* partial list first, better asm code */
    struct list_head slabs_full;
    struct list_head slabs_free;
    unsigned long total_slabs;/* length of all slab lists */
    unsigned long free_slabs;/* length of free slab list only */
    unsigned long free_objects;
    unsigned int free_limit;
    unsigned int colour_next;/* Per-node cache coloring */
    struct array_cache *shared;/* shared per node */
    struct alien_cache **alien;/* on other nodes */
    unsigned long next_reap;/* updated without locking */
    int free_touched;/* updated without locking */
    #endif#ifdef CONFIG_SLUB
    unsigned long nr_partial;
    struct list_head partial;
    #ifdef CONFIG_SLUB_DEBUG
    atomic_long_t nr_slabs;
    atomic_long_t total_objects;
    struct list_head full;
    #endif
    #endif};
  • kmem_cache_cpu管理活动的slab,它只有一个,并且与当前的CPU相关(不同的处理器有不同的缓存)。下一次申请始终由freelist字段指向的slab返回:

    struct kmem_cache_cpu {
    void **freelist;/* Pointer to next available object */
    unsigned long tid;/* Globally unique transaction id */
    struct page *page;/* The slab from which we are allocating */
    #ifdef CONFIG_SLUB_CPU_PARTIAL
    struct page *partial;/* Partially allocated frozen slabs */
    #endif
    #ifdef CONFIG_SLUB_STATS
    unsigned stat[NR_SLUB_STAT_ITEMS];
    #endif
    };

以下是kmem_cache结构体成员的关系:

例子

  • 普通分配

    分配器从kmem_cache找到kmem_cache_cpu访问freelist找到第一个空闲对象,返回该对象(蓝色部分)。相应的更新指针将其从链表中删除,并将freelist指向下一个空闲对象:

  • 分配即将满的对象

    返回最后一个对象后,已填满的页面将移动到full list中,将另一个partial list置为活动的slab:

  • 申请即将满的partial list里面的对象,并且没有其他partial list时

    返回最后一个活动的对象之后,已填满的页会放入full list,然后系统分配一个全新的slab成为活动slab:

  • 普通释放

    当释放一个属于partial list(或活动)的对象时,SLUB只是将其标记为空闲并更新指针:

  • 释放即将为empty list的对象

    当释放属于partial list的最后一个对象时,slab被释放,交给内存管理单元:

  • 在full list里面释放

    当释放full list里面的对象时,释放后它不再是full list,将其放入partial list:

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