与传统的内存管理模式相比, slab 缓存分配器提供了很多优点。首先,内核通常依赖于对小对象的分配,它们会在系统生命周期内进行无数次分配。slab 缓存分配器通过对类似大小的对象进行缓存而提供这种功能,从而避免了常见的碎片问题。slab 分配器还支持通用对象的初始化,从而避免了为同一目而对一个对象重复进行初始化。最后,slab 分配器还可以支持硬件缓存对齐和着色,这允许不同缓存中的对象占用相同的缓存行,从而提高缓存的利用率并获得更好的性能。
说明:
每个缓存都包含了一个 slabs 列表,这是一段连续的内存块(通常都是页面)。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
slabs_empty 列表中的 slab 是进行回收(reaping)的主要备选对象。正是通过此过程,slab 所使用的内存被返回给操作系统供其他用户使用。
slab 列表中的每个 slab 都是一个连续的内存块(一个或多个连续页),它们被划分成一个个对象。这些对象是从特定缓存中进行分配和释放的基本元素。注意 slab 是 slab 分配器进行操作的最小分配单位,因此如果需要对 slab 进行扩展,这也就是所扩展的最小值。通常来说,每个 slab 被分配为多个对象。
由于对象是从 slab 中进行分配和释放的,因此单个 slab 可以在 slab 列表之间进行移动。例如,当一个 slab 中的所有对象都被使用完时,就从 slabs_partial 列表中移动到 slabs_full 列表中。当一个 slab 完全被分配并且有对象被释放后,就从 slabs_full 列表中移动到 slabs_partial 列表中。当所有对象都被释放之后,就从 slabs_partial 列表移动到 slabs_empty 列表中。
http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-linux-slab-allocator/index.html
现在来看一下能够创建新 slab 缓存、向缓存中增加内存、销毁缓存的应用程序接口(API)以及 slab 中对对象进行分配和释放操作的函数。
第一个步骤是创建 slab 缓存结构,您可以将其静态创建为:
struct struct kmem_cache *my_cachep;
然后其他 slab 缓存函数将使用该引用进行创建、删除、分配等操作。kmem_cache 结构包含了每个中央处理器单元(CPU)的数据、一组可调整的(可以通过 proc 文件系统访问)参数、统计信息和管理 slab 缓存所必须的元素。
kmem_cache_create
内核函数 kmem_cache_create 用来创建一个新缓存。这通常是在内核初始化时执行的,或者在首次加载内核模块时执行。其原型定义如下:
struct kmem_cache *
kmem_cache_create( const char *name, size_t size, size_t align,
unsigned long flags;
void (*ctor)(void*, struct kmem_cache *, unsigned long),
void (*dtor)(void*, struct kmem_cache *, unsigned long));
name 参数定义了缓存名称,proc 文件系统(在 /proc/slabinfo 中)使用它标识这个缓存。
size 参数指定了为这个缓存创建的对象的大小, align 参数定义了每个对象必需的对齐。 flags 参数指定了为缓存启用的选项。这些标志如表 1 所示。
ctor 和 dtor 参数定义了一个可选的对象构造器和析构器。构造器和析构器是用户提供的回调函数。当从缓存中分配新对象时,可以通过构造器进行初始化。
在创建缓存之后, kmem_cache_create 函数会返回对它的引用。注意这个函数并没有向缓存分配任何内存。相反,在试图从缓存(最初为空)分配对象时,refill 操作将内存分配给它。当所有对象都被使用掉时,也可以通过相同的操作向缓存添加内存。
kmem_cache_destroy
内核函数 kmem_cache_destroy 用来销毁缓存。这个调用是由内核模块在被卸载时执行的。在调用这个函数时,缓存必须为空。
void kmem_cache_destroy( struct kmem_cache *cachep );
kmem_cache_alloc
要从一个命名的缓存中分配一个对象,可以使用 kmem_cache_alloc 函数。调用者提供了从中分配对象的缓存以及一组标志:
void kmem_cache_alloc( struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags );
这个函数从缓存中返回一个对象。注意如果缓存目前为空,那么这个函数就会调用 cache_alloc_refill 向缓存中增加内存。 kmem_cache_alloc 的 flags 选项与 kmalloc 的 flags 选项相同。 给出了标志选项的部分列表。
kmem_cache_zalloc
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。
kmem_cache_free
要将一个对象释放回 slab,可以使用 kmem_cache_free。调用者提供了缓存引用和要释放的对象。
void kmem_cache_free( struct kmem_cache *cachep, void *objp );
kmalloc 和 kfree
内核中最常用的内存管理函数是 kmalloc 和 kfree 函数。这两个函数的原型如下:
void *kmalloc( size_t size, int flags );
void kfree( const void *objp );
注意在 kmalloc 中,惟一两个参数是要分配的对象的大小和一组标志(请参看 表 2 中的部分列表)。但是 kmalloc 和 kfree 使用了类似于前面定义的函数的 slab 缓存。kmalloc 没有为要从中分配对象的某个 slab 缓存命名,而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。要使用 kfree 释放对象,从中分配对象的缓存可以通过调用 virt_to_cache 确定。这个函数会返回一个缓存引用,然后在
__cache_free 调用中使用该引用释放对象。
其他函数
slab 缓存 API 还提供了其他一些非常有用的函数。 kmem_cache_size 函数会返回这个缓存所管理的对象的大小。您也可以通过调用 kmem_cache_name 来检索给定缓存的名称(在创建缓存时定义)。缓存可以通过释放其中的空闲 slab 进行收缩。这可以通过调用 kmem_cache_shrink 实现。注意这个操作(称为回收)是由内核定期自动执行的(通过 kswapd)。
unsigned int kmem_cache_size( struct kmem_cache *cachep );
const char *kmem_cache_name( struct kmem_cache *cachep );
int kmem_cache_shrink( struct kmem_cache *cachep );