1.内部碎片和外部碎片

外部碎片

什么是外部碎片呢？我们通过一个图来解释：

image.png

假设这是一段连续的页框，阴影部分表示已经被使用的页框，现在需要申请一个连续的5个页框。这个时候，在这段内存上不能找到连续的5个空闲的页框，就会去另一段内存上去寻找5个连续的页框，这样子，久而久之就形成了页框的浪费。称为外部碎片。

内核中使用伙伴算法的迁移机制很好的解决了这种外部碎片。

内部碎片

当我们申请几十个字节的时候，内核也是给我们分配一个页，这样在每个页中就形成了很大的浪费。称之为内部碎片。

内核中引入了slab机制去尽力的减少这种内部碎片。

2.slab分配机制

slab分配器是基于对象进行管理的，所谓的对象就是内核中的数据结构(例如：task_struct,file_struct 等)。相同类型的对象归为一类，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。

3.内核中slab的主要数据结构

image.png

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。

举例说明：如果有一个名叫inode_cachep的struct kmem_cache节点，它存放了一些inode对象。当内核请求分配一个新的inode对象时，slab分配器就开始工作了：

首先要查看inode_cachep的slabs_partial链表，如果slabs_partial非空，就从中选中一个slab，返回一个指向已分配但未使用的inode结构的指针。完事之后，如果这个slab满了，就把它从slabs_partial中删除，插入到slabs_full中去，结束；

如果slabs_partial为空，也就是没有半满的slab，就会到slabs_empty中寻找。如果slabs_empty非空，就选中一个slab，返回一个指向已分配但未使用的inode结构的指针，然后将这个slab从slabs_empty中删除，插入到slabs_partial(或者slab_full)中去，结束；

如果slabs_empty也为空，那么没办法，cache内存已经不足，只能新创建一个slab了。

接下来我们来分析下slab在内核中数据结构的组织，首先要从kmem_cache这个结构体说起了

struct kmem_cache {

struct array_cache *array[NR_CPUS];//per_cpu数据，记录了本地高速缓存的信息，也是用于跟踪最近释放的对象，每次分配和释放都要直接访问它。

unsigned int batchcount;//本地高速缓存转入和转出的大批数据数量

unsigned int limit;//本地高速缓存中空闲对象的最大数目

unsigned int shared;

unsigned int buffer_size;/*buffer的大小，就是对象的大小*/

u32 reciprocal_buffer_size;

unsigned int flags; /* constant flags */

unsigned int num; /* # of objs per slab *//*slab中有多少个对象*/

/* order of pgs per slab (2^n) */

unsigned int gfporder;/*每个slab中有多少个页*/

gfp_t gfpflags; /*与伙伴系统交互时所提供的分配标识*/

size_t colour; /* cache colouring range *//*slab中的着色*/

unsigned int colour_off; /* colour offset */着色的偏移量

struct kmem_cache *slabp_cache;

unsigned int slab_size; //slab管理区的大小

unsigned int dflags; /* dynamic flags */

/* constructor func */

void (*ctor)(void *obj); /*构造函数*/

/* 5) cache creation/removal */

const char *name;/*slab上的名字*/

struct list_head next; //用于将高速缓存连入cache chain

/* 6) statistics */ //一些用于调试用的变量

#ifdef CONFIG_DEBUG_SLAB

unsigned long num_active;

unsigned long num_allocations;

unsigned long high_mark;

unsigned long grown;

unsigned long reaped;

unsigned long errors;

unsigned long max_freeable;

unsigned long node_allocs;

unsigned long node_frees;

unsigned long node_overflow;

atomic_t allochit;

atomic_t allocmiss;

atomic_t freehit;

atomic_t freemiss;

int obj_offset;

int obj_size;

#endif /* CONFIG_DEBUG_SLAB */

//用于组织该高速缓存中的slab

struct kmem_list3 *nodelists[MAX_NUMNODES];/*最大的内存节点*/

};

/* Size description struct for general caches. */

struct cache_sizes {

size_t cs_size;

struct kmem_cache *cs_cachep;

#ifdef CONFIG_ZONE_DMA

struct kmem_cache *cs_dmacachep;

#endif

};

由上面的总图可知，一个核心的数据结构就是kmem_list3，它描述了slab描述符的状态。

struct kmem_list3 {

/*三个链表中存的是一个高速缓存slab*/

/*在这三个链表中存放的是cache*/

struct list_head slabs_partial; //包含空闲对象和已经分配对象的slab描述符

struct list_head slabs_full;//只包含非空闲的slab描述符

struct list_head slabs_free;//只包含空闲的slab描述符

unsigned long free_objects; /*高速缓存中空闲对象的个数*/

unsigned int free_limit; //空闲对象的上限

unsigned int colour_next; /* Per-node cache coloring *//*即将要着色的下一个*/

spinlock_t list_lock;

struct array_cache *shared; /* shared per node */

struct array_cache **alien; /* on other nodes */

unsigned long next_reap; /* updated without locking *//**/

int free_touched; /* updated without locking */

};

接下来介绍描述单个slab的结构struct slab

struct slab {

struct list_head list; //用于将slab连入keme_list3的链表

unsigned long colouroff; //该slab的着色偏移

void *s_mem; /* 指向slab中的第一个对象*/

unsigned int inuse; /* num of objs active in slab */已经分配出去的对象

kmem_bufctl_t free; //下一个空闲对象的下标

unsigned short nodeid; //节点标识符

};

在kmem_cache中还有一个重要的数据结构struct array_cache.这是一个指针数组，数组的元素是系统的cpu的个数。该结构用来描述每个cpu的高速缓存，它的主要作用是减少smp系统中对于自旋锁的竞争。

实际上，每次分配内存都是直接与本地cpu高速缓存进行交互，只有当其空闲内存不足时，才会从keme_list中的slab中引入一部分对象到本地高速缓存中，而keme_list中的空闲对象也不足时，那么就要从伙伴系统中引入新的页来建立新的slab了。

struct array_cache {

unsigned int avail;/*当前cpu上有多少个可用的对象*/

unsigned int limit;/*per_cpu里面最大的对象的个数，当超过这个值时，将对象返回给伙伴系统*/

unsigned int batchcount;/*一次转入和转出的对象数量*/

unsigned int touched;/*标示本地cpu最近是否被使用*/

spinlock_t lock;/*自旋锁*/

void *entry[]; /*

* Must have this definition in here for the proper

* alignment of array_cache. Also simplifies accessing

* the entries.

*/

};

对上面提到的各个数据结构做一个总结，用下图来描述：

image.png

4.关于slab分配器的API

下面看一下slab分配器的接口——看看slab缓存是如何创建、撤销以及如何从缓存中分配一个对象的。一个新的kmem_cache通过kmem_cache_create()函数来创建：

struct kmem_cache *

kmem_cache_create( const char *name, size_t size, size_t align,

unsigned long flags， void (*ctor)(void*));

*name是一个字符串，存放kmem_cache缓存的名字；size是缓存所存放的对象的大小；align是slab内第一个对象的偏移；flag是可选的配置项，用来控制缓存的行为。最后一个参数ctor是对象的构造函数，一般是不需要的，以NULL来代替。kmem_cache_create()成功执行之后会返回一个指向所创建的缓存的指针，否则返回NULL。kmem_cache_create()可能会引起阻塞(睡眠)，因此不能在中断上下文中使用。

撤销一个kmem_cache则是通过kmem_cache_destroy()函数：

int kmem_cache_destroy( struct kmem_cache *cachep);

该函数成功则返回0，失败返回非零值。调用kmem_cache_destroy()之前应该满足下面几个条件：首先，cachep所指向的缓存中所有slab都为空闲，否则的话是不可以撤销的；其次在调用kmem_cache_destroy()过程中以及调用之后，调用者需要确保不会再访问这个缓存；最后，该函数也可能会引起阻塞，因此不能在中断上下文中使用。

可以通过下面函数来从kmem_cache中分配一个对象：

void* kmem_cache_alloc(struct kmem_cache* cachep, gfp_t flags);

这个函数从cachep指定的缓存中返回一个指向对象的指针。如果缓存中所有slab都是满的，那么slab分配器会通过调用kmem_getpages()创建一个新的slab。

释放一个对象的函数如下：

void kmem_cache_free(struct kmem_cache* cachep, void* objp);

这个函数是将被释放的对象返还给先前的slab，其实就是将cachep中的对象objp标记为空闲而已

5.使用以上的API写内核模块，生成自己的slab高速缓存。

其实到了这里，应该去分析以上函数的源码，但是几次奋起分析，都被打趴在地。所以就写个内核模块，鼓励下自己吧。

#include

#include

#include

MODULE_AUTHOR("wangzhangjun");

MODULE_DESCRIPTION("slab test module");

static struct kmem_cache *test_cachep = NULL;

struct slab_test

{

int val;

};

void fun_ctor(struct slab_test *object , struct kmem_cache *cachep , unsigned long flags )

{

printk(KERN_INFO "ctor fuction ...\n");

object->val = 1;

}

static int __init slab_init(void)

{

struct slab_test *object = NULL;//slab的一个对象

printk(KERN_INFO "slab_init\n");

//注意：这个函数的第二个参数(对象的大小)，是有上限和下限的

//4Byte<=object size <= 4M(即在4字节到4M之间)，如果不在这个范围之内，会导致内核崩溃

test_cachep = kmem_cache_create("test_cachep",sizeof(struct slab_test)*3,0,SLAB_HWCACHE_ALIGN,fun_ctor);

if(NULL == test_cachep)

return -ENOMEM ;

printk(KERN_INFO "Cache name is %s\n",kmem_cache_name(test_cachep));//获取高速缓存的名称

printk(KERN_INFO "Cache object size is %d\n",kmem_cache_size(test_cachep));//获取高速缓存的大小

object = kmem_cache_alloc(test_cachep,GFP_KERNEL);//从高速缓存中分配一个对象

if(object)

{

printk(KERN_INFO "alloc one val = %d\n",object->val);

kmem_cache_free( test_cachep, object );//归还对象到高速缓存

//这句话的意思是虽然对象归还到了高速缓存中，但是高速缓存中的值没有做修改

//只是修改了一些它的状态。

printk(KERN_INFO "alloc three val = %d\n",object->val);

object = NULL;

}else

return -ENOMEM;

return 0;

}

static void __exit slab_clean(void)

{

printk(KERN_INFO "slab_clean\n");

if(test_cachep)

kmem_cache_destroy(test_cachep);//调用这个函数时test_cachep所指向的缓存中所有的slab都要为空

}

module_init(slab_init);

module_exit(slab_clean);

MODULE_LICENSE("GPL");

我们结合结果来分析下这个内核模块：

image.png

这是dmesg的结果，可以发现我们自己创建的高速缓存的名字test_cachep,还有每个对象的大小。

image.png

还有构造函数修改了对象里面的值，至于为什么构造函数会出现这么多次，可能是因为，这个函数被注册了之后，系统的其他地方也会调用这个函数。在这里可以分析源码，当调用keme_cache_create()的时候是没有调用对象的构造函数的，调用kmem_cache_create()并没有分配slab,而是在创建对象的时候发现没有空闲对象，在分配对象的时候，会调用构造函数初始化对象。

另外结合上面的代码可以发现，alloc three val是在kmem_cache_free之后打印的，但是它的值依然可以被打印出来，这充分说明了，slab这种机制是在将某个对象使用完之后，就其缓存起来，它还是切切实实的存在于内存中。

再结合/proc/slabinfo的信息看我们自己创建的slab高速缓存

image.png

可以发现名字为test_cachep的高速缓存，每个对象的大小(objsize)是16,和上面dmesg看到的值相同，objperslab(每个slab中的对象时202)，pagesperslab(每个slab中包含的页数)，可以知道objsize * objperslab < pagesperslab。

6.总结

目前只是对slab机制的原理有了一个感性的认识，对于这部分相关的源码涉及到着色以及内存对齐等细节。看的不是很清楚，后面还需要仔细研究。