【深度剖析】: Linux内核之内存管理(三)--Slab分配器及高速缓存

一 slab分配器

[1].slab分配的原理

slab分配器由一个紧密地交织的数据和内存结构的网络组成，基本上，slab缓存由下图3-44所示的两部分组成：保存管理性数据的缓存对象和保存被管理对象的各个slab。

slab分配器解决伙伴系统的局限性：

减少内部碎片：为小对象分配精确大小的内存

提高缓存利用率：对象着色优化CPU缓存性能

减少初始化开销：重用已初始化对象

调试支持：内置检测机制发现内存访问错误

基本术语：

缓存（Cache）：特定类型对象的管理器

slab：一个或多个连续页组成的内存块

对象（Object）：缓存中分配的基本单元

slab的三种状态：

满slab：所有对象都已分配

空slab：所有对象都空闲

部分满slab：部分对象已分配

[2]. 实现

数据结构层次

缓存的精细结构：

//缓存描述符（kmem_cache）：struct kmem_cache {    struct array_cache *array[NR_CPUS];  // 每CPU空闲对象数组    unsigned int batchcount;            // 批量传输对象数    unsigned int limit;                 // 空闲对象上限    struct kmem_list3 lists;            // slab列表管理    unsigned int objsize;               // 对象大小    unsigned int flags;                 // 缓存标志    unsigned int num;                   // 每slab对象数    // ... 其他字段};

slab的精细结构：

//slab描述符（struct slab）：struct slab {    struct list_head list;              // slab链表    unsigned long colouroff;            // 着色偏移    void *s_mem;                       // slab中第一个对象    unsigned int inuse;                 // 已用对象数    kmem_bufctl_t free;                 // 下一个空闲对象索引};

缓存类型:

专用缓存：

为内核常用数据结构预分配（如task_struct, inode等）

提高特定对象的分配效率

通过kmem_cache_create创建

通用缓存：

提供2的幂次大小的对象缓存

通过kmalloc/kfree接口使用

大小从32字节到128KB（可能更大）

slab分配算法：

快速路径分配：

//从每CPU缓存分配对象void *____cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags){    // 1. 检查本地CPU缓存    // 2. 如果有空闲对象，直接返回    // 3. 否则批量填充缓存}

缓存填充过程：

从部分空slab获取对象

如无部分空slab，从空slab获取

如无空slab，创建新slab

缓存回收过程：

对象返回到每CPU缓存

当缓存超过限制时，批量返回到slab

空slab可被释放回伙伴系统

着色机制：

缓存行对齐优化：

通过偏移量使对象分散在不同缓存行

减少缓存行冲突（false sharing）

提高多处理器系统性能

// 着色计算colour_off = cachep->colour_next * cachep->colour_off;cachep->colour_next++;if (cachep->colour_next >= cachep->colour_range)    cachep->colour_next = 0;

[3]. 使用接口

缓存管理函数

// 创建新缓存struct kmem_cache *kmem_cache_create(const char *name,                                    size_t size, size_t align,                                   unsigned long flags,                                   void (*ctor)(void*));// 销毁缓存voidkmem_cache_destroy(struct kmem_cache *cachep);对象分配和释放：// 分配对象void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags);// 释放对象voidkmem_cache_free(struct kmem_cache *cachep, void *objp);

通用缓存接口:

// 通用内存分配void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);// 内存释放voidkfree(constvoid *objp);

大小限制：

最小分配32字节（保证对齐）

最大通常128KB（依赖配置）

更大分配直接使用伙伴系统

[4]. 调试功能

内存污染检测:

红色区域（Red Zoning）：对象周围添加保护字节

对象毒化（Poisoning）：用特定模式填充释放的对象

分配追踪：记录分配调用栈

调试标志:

// 常见调试选项#define SLAB_DEBUG_FREE        0x00000100UL  // 释放时检查#define SLAB_RED_ZONE          0x00000400UL  // 红色区域#define SLAB_POISON            0x00000800UL  // 对象毒化#define SLAB_STORE_USER        0x00010000UL  // 存储用户信息

二 内存管理的高级主题

[1]. 内存压缩

反碎片技术

可移动性分组：

不可移动页：内核核心数据，固定位置

可回收页：文件缓存等，可重新生成

可移动页：用户空间数据，可重定位

分组策略优势：

同类型页集中存放

减少分配时的碎片问题

提高大块连续内存可用性

虚拟可移动区域:

ZONE_MOVABLE机制：

// 内核命令行参数kernelcore=nn[KMG]    // 指定不可移动内存大小movablecore=nn[KMG]   // 指定可移动内存大小

实现原理：

物理隔离可移动和不可移动页

防止不可移动页碎片化内存

提高内存压缩效率

[2].内存热插拔

动态内存管理

热添加内存：

运行时添加物理内存

无需重启系统

动态扩展内存域

热移除内存：

安全移除内存模块

迁移受影响页到其他区域

更新内存拓扑信息

实现机制:

内存块操作：

// 内存块状态变化intadd_memory(int nid, u64 start, u64 size);intremove_memory(u64 start, u64 size);// 在线/离线内存intonline_pages(unsignedlong pfn, unsignedlong nr_pages);intoffline_pages(unsignedlong start_pfn, unsignedlong nr_pages);

[3]. 内存策略和控制组

NUMA内存策略

策略类型：

MPOL_DEFAULT：默认策略，使用当前节点

MPOL_BIND：绑定到特定节点

MPOL_PREFERRED：优先使用指定节点

MPOL_INTERLEAVE：在节点间交错分配

策略应用：

// 设置内存策略longset_mempolicy(int mode, constunsignedlong *nodemask,                   unsigned long maxnode);

控制组（cgroup）内存控制器

资源限制：

内存使用上限

交换空间限制

OOM控制策略

统计信息：

当前内存使用量

内存峰值使用量

交换使用情况

[4].透明大页

大页优势

性能提升：

减少TLB失效

提高地址转换效率

降低页表遍历开销

透明大页特性：

自动合并普通页为大页

应用程序无感知

动态调整大页使用

实现机制

大页合并：

扫描符合条件的普通页区域

尝试合并为2MB或1GB大页

更新页表映射

反碎片处理：

避免大页分配因碎片失败

必要时拆分大页满足分配

平衡性能和内存利用率

[5]. 内存压缩和回收

页面回收算法

LRU列表管理：

活动列表：最近访问的页

非活动列表：候选回收页

双链策略：防止颠簸

回收优先级：

回收slab缓存

交换可交换页

回收文件缓存

OOM终止进程

内存压缩

压缩时机：

直接回收路径

内核线程定期压缩

内存严重不足时

压缩效益：

减少交换I/O开销

降低内存碎片

提高大页分配成功率

关键技术创新总结

[1].分层架构：物理/虚拟分离，伙伴/slab分层

[2].硬件抽象：统一接口屏蔽体系结构差异

[3].智能防碎：可移动性分组+虚拟内存域

[4].启动创新：临时自举分配器解决"先有鸡还是先有蛋"问题

[5].性能优化：slab缓存提升小对象分配效率

以上这些内存管理机制共同构成了Linux内核高效、灵活的内存管理系统，能够适应从嵌入式设备到大型服务器的各种工作负载需求。

以上为全文内容。