Linux内存管理之slab 2：slab API

0. 前沿/须知：
1. kmem_cache_create
- 1.1 kmem_cache_create (仅分配一个kmem_cache实例)未分配实际物理页
- 1.2 slab 创建流程
- 1.3 slab 与伙伴系统
2. kmem_cache_alloc
- 2.1 kmem_cache_create 和 kmem_cache_alloc 关系
- 2.2 kmalloc 函数本质
- 2.3 kfree 函数本质
3. kmem_cache_zalloc (zero 清零)
- 3.1 kmem_cache_zalloc 内核实现
4. kmem_cache_free
5. kmem_cache_destroy

slab原理及相关参考之前的博客
Linux内存管理之slab 1：slab原理
https://blog.csdn.net/lqy971966/article/details/112980005

0. 前沿/须知：

kmem_cache： 内存池
slab：       内存池从系统申请内存的基本单位
object：     内存池提供的内存的单位

1. kmem_cache_create

struct kmem_cache *kmem_cache_create (const char *name, size_t size, size_t align,unsigned long flags, void (*ctor)(void *))

功能:

创建一个slab新缓存

参数：

name:缓存的名称（用来生成kmem_cache的名字），会在/proc/slabinfo中出现
size:对象的大小,以字节为单位,若此处填写过小的size(比如sizeof(int))会出现死机的问题
align:每个对象的对齐，一般使用0就可以；
flags:创建kmem_cache标识位掩码，使用0，表示默认；分配缓存时的选项如下SLAB_RED_ZONE 在对象头 尾插入标志,探测缓冲越界SLAB_POISON 使用slab层已知的值填充slab，有利于对未初始化内存的访问SLAB_CACHE_DMA 每个数据对象在 DMA 内存区段分配.SLAB_HWCACHE_ALIGN 命令slab层把一个slab内的所有对象按高速缓存行对齐。SLAB_PANIC 这个标志当分配失败时提醒slab层SLAB_STORE_USER:用struct track存储最后一个进程信息
ctor: 高速缓存的构造函数
头文件:#include <linux/slab.h>

返回值：

从 cache_cache 中返回一个指向 kmem_cache 实例的*cachep指针；
当然该 kmem_cache 对象也会被加入 cache_chain 链表中；

1.1 kmem_cache_create (仅分配一个kmem_cache实例)未分配实际物理页

kmem_cache_create()仅仅是从cache_cache中分配一个kmem_cache实例，并不会分配实际的物理页，当然也就没有slab了（也没有对象）

1.2 slab 创建流程

那什么时候会创建一个slab呢？
只有满足下面两个条件时，才会给 kmem_cache 分配Slab：

（1）已发出一个分配新对象的请求；
（2）kmem_cache 中没有了空闲对象；

其实本质就是：
需要得到该 kmem_cache 下一个对象，而kmem_cache没有空闲对象，这时候就会给kmem_cache分配一个slab了。
所以新分配的kmem_cache只有被要求分配一个对象时，才会调用函数去申请物理页；

具体的分配流程：

首先会调用 kmem_cache_grow（）函数给kmem_cache分配一个新的Slab。
其中，该函数调用kmem_gatepages()从伙伴系统获得一组连续的物理页面
然后又调用kmem_cache_slabgmt()获得一个新的Slab结构
还要调用kmem_cache_init_objs()为新Slab中的所有对象申请构造方法
最后，调用kmem_slab_link_end()把这个Slab结构插入到缓冲区中Slab链表的末尾

1.3 slab 与伙伴系统

从slab的分配可以知道，其实所有的内存最终还是要伙伴系统来分配，这里就可以知道，这些内存都是连续的物理页。

在某些情况下内核模块可能需要频繁的分配和释放相同的内存对象，这时候slab可以作为内核对象的缓存，当slab对象被释放时，slab分配器并不会把对象占用的物理空间还给伙伴系统。这样的好处是当内核模块需要再次分配内存对象时，不需要那么麻烦的向伙伴系统申请，而是可以直接在slab链表中分配一个合适的对象

2. kmem_cache_alloc

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

功能:

从一个给定的缓存分配一个对象

参数：

cachep:kmem_cache 结构指针(kmem_cache_create 返回的对象)
flags: 分配标志选项 如 GFP_KERNEL GFP_ATOMICGFP_KERNEL :从内核 RAM 中分配内存（这个调用可能会睡眠）。GFP_ATOMIC :使该调用强制处于非睡眠状态（对中断处理程序非常有用）。

2.1 kmem_cache_create 和 kmem_cache_alloc 关系

kmem_cache_create()只是分配size大小的缓存，并不会调用对象的构造函数，只有当再调用 kmem_cache_alloc()时才会构造对象；
另外调用 kmem_cache_create()并没有分配slab，是在创建对象的时候发现没有空闲对象，调用cache_grow()分配一个slab，然后再分配对象。

2.2 kmalloc 函数本质

kmalloc 是循环遍历可用缓存来查找可以满足大小限制的缓存。
找到之后，就（使用 kmem_cache_alloc ）分配一个对象。

void * kmalloc(size_t size, int flags)
{struct cache_size *csizep = malloc_sizes; //1. 定义好大小的数组struct kmem_cache *cachep;/* 2. 这是关键，从 malloc_sizes 数组（其实也是从kmem_cache链表)中遍历,得到地一个大于等于size的cache */while(size > csizep->cs_size)csizep++;cachep = csizep->cs_cachep;// 3.这里会发现正真分配对象的还是靠 kmem_cache_alloc()函数return kmem_cache_alloc(cachep, flags)
}

2.3 kfree 函数本质

kfree调用 kmem_cache_free(下面4) 调用中使用该引用释放对象

3. kmem_cache_zalloc (zero 清零)

内核函数 kmem_cache_zalloc 与 kmem_cache_alloc 类似，只不过它对对象执行 memset 操作，用来在将对象返回调用者之前对其进行清除操作。

static inline void *kmem_cache_zalloc(struct kmem_cache *k, gfp_t flags)

功能:

内部调用了 kmem_cache_alloc 传递的标志多了个 __GFP_ZERO 对分配的对象进行清零

参数：

k:kmem_cache结构指针
flags:分配标志选项 如 GFP_KERNEL GFP_ATOMIC

3.1 kmem_cache_zalloc 内核实现

static inline void *kmem_cache_zalloc(struct kmem_cache *k, gfp_t flags)
{return kmem_cache_alloc(k, flags | __GFP_ZERO);
}

4. kmem_cache_free

要将一个对象释放回 slab

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

功能:

释放从缓存中分配的对象,释放回slab

参数：

cachep:kmem_cache 缓存指针
objp:从缓存中分配的对象

5. kmem_cache_destroy

void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *cachep)

功能:

销毁一个缓存
在调用这个函数时，缓存必须为空。

参数：

cachep:用 kmem_cache_create 创建的缓存对象

参考：
https://blog.csdn.net/yldfree/article/details/81185652
https://zhuanlan.zhihu.com/p/51660182
https://blog.csdn.net/yuzhihui_no1/article/details/47305361
https://blog.csdn.net/yuzhihui_no1/article/details/47284329

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3.1 kmem_cache_zalloc 内核实现

4. kmem_cache_free

5. kmem_cache_destroy

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