1. 为什么需要内存分配管理？为什么需要SLAB？
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在学习c语言时，我们常常会使用到malloc()去申请一块内存空间，用于存放我们的数据，这是代码层面的语言
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如果我们想要关心malloc这个命令向系统发出后，系统会做什么呢？系统会给这个变量分配一个内存空间。那么系统是如何分配的呢，这就需要了解系统的内存分配管理方法了。
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在linux中，最先推出用于分配内存的管理单元和算法是伙伴分配器（buddy allocator），它是以页为单位管理和分配内存，最小分配一页，也就是4KB 大小。而可能内核的需求只是以字节为单位。
- 假如我们需要动态申请一个内核结构体（占 20 字节），若仍然分配一页内存，这将严重浪费内存。这也将会导致内部碎片问题
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这时候就出现了slab分配器，它专门用于分配小内存，分配内存以字节为单位，基于伙伴分配器的大内存进一步细分成小内存分配。
- 概括来讲：slab 分配器仍然从buddy分配器中申请内存，之后自己对申请来的内存细分管理。从而达到减少内存碎片化的目的。
- 形象概括：buddy分配器理解成一个仓库，slab分配器理解为一个商店，仓库给商店进行批发的货物，商店从仓库进货以后，再零售给消费者（使用kmalloc的用户）
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SLAB分配器内存管理机制的核心思想：
- 提供小内存，减少内存碎片
- 维护常用对象的缓存
- 提高CPU硬件缓存的利用率
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随着时间的推移，SLAB分配器演变成SLUB和SLOB分配器
2. SLAB底层机制
2.1 基本概念
2.1.1 Slab
- 是SLAB机制中的基本组成单元，它是预先分配的一块连续的内存区域
- 每个Slab由一个或多个大小相同的对象组成，这些对象属于同一个Cache。
- Slab可以处于三种状态之一：满(full)，部分满(partial)和空(empty)。
- 系统优先从部分满的Slab中分配对象，以提高内存利用率。
2.1.2 Slab Cache
- Slab Cache专门用于管理一种特定大小和类型的对象。
- 每个Slab Cache都由多个Slab组成，它们共同组成了该类型对象的存储池。
- 通过Slab Cache，系统可以快速地分配和释放对象，避免了每次分配时都进行昂贵的内存搜索和设置操作。
- 主要负责三个事情：
- 对象缓存：缓存常用对象，加快分配速度。
- 内存管理：根据需要增加或释放Slab，优化内存使用。
- 碎片最小化：通过维护大小相同的对象集合，减少内存碎片。
2.1.3 缓冲色彩（Cache Coloring）
- 缓存色彩是一种用于优化CPU缓存利用率的技术。通过对内存分配的微小调整，它能减少不同Slab中对象的缓存行冲突。
2.1.4 构造器和析构器
- 为了进一步提高效率，SLAB机制允许为每种类型的对象定义构造器（Constructor）和析构器（Destructor）。构造器在对象第一次被创建时被调用，用于初始化对象。析构器在对象最终被释放回系统前被调用，用于执行必要的清理工作。通过这种方式，SLAB机制确保了资源的有效利用和稳定的性能表现。
2.2 结构定义
2.2.1 slab分配的内存大小
- 问题：Linux中采用4KB大小的页框作为标准的内存分配单元，在实际应用中，经常需要分配一组连续的页框，而频繁的申请和释放不同大小的连续页框，必然导致在已分配页框的内存块中分散了许多小块的空闲页框，这样，即使这些页框是空闲的，其他需要分配连续页框的应用也很难得到满足。
- Linux内核引入了伙伴系统算法来避免这种情况。其把所有的空闲页框分组为11个块链表，每个块链表分别包含大小为1、2、4、8、16、32、64、128、256、512和1024个连续页框的页框块。最大可以申请1024个连续页框，也即4MB大小的连续空间。
- 而slab则基于伙伴系统，进一步将页框划分成各个小的内存块，而他的实现则是通过在kmem_cache_init过程中，通过
kmalloc_caches[KMALLOC_NORMAL][INDEX_NODE]来建立caches数组
void __init kmem_cache_init(void){
kmalloc_caches[KMALLOC_NORMAL][INDEX_NODE] = create_kmalloc_cache(
kmalloc_info[INDEX_NODE].name[KMALLOC_NORMAL],
kmalloc_info[INDEX_NODE].size,
ARCH_KMALLOC_FLAGS, 0,
kmalloc_info[INDEX_NODE].size);
...
create_kmalloc_caches(ARCH_KMALLOC_FLAGS);
}
kmalloc_caches[KMALLOC_NORMAL][INDEX_NODE]中的INDEX_NODE即为kmalloc_index，INDEX_NODE取值范围为0-21，分别存放着不同大小的内存caches
static __always_inline unsigned int __kmalloc_index(size_t size, bool size_is_constant){
/* 0 = zero alloc */
if (!size)
return 0;
if (size <= KMALLOC_MIN_SIZE)
return KMALLOC_SHIFT_LOW;
/* 1 = 65 .. 96 bytes分配65-96bytes的内存大小的块*/
if (KMALLOC_MIN_SIZE <= 32 && size > 64 && size <= 96)
return 1;
/* 2 = 129 .. 192 bytes分配65-96bytes的内存大小的块*/
if (KMALLOC_MIN_SIZE <= 64 && size > 128 && size <= 192)
return 2;
/* n = 2^(n-1)+1 .. 2^n 分配2^(n-1)+1 .. 2^n大小内存的块内存*/
if (size <= 8) return 3;
if (size <= 16) return 4;
if (size <= 32) return 5;
if (size <= 64) return 6;
if (size <= 128) return 7;
if (size <= 256) return 8;
if (size <= 512) return 9;
if (size <= 1024) return 10;
if (size <= 2 * 1024) return 11;
if (size <= 4 * 1024) return 12;
if (size <= 8 * 1024) return 13;
if (size <= 16 * 1024) return 14;
if (size <= 32 * 1024) return 15;
if (size <= 64 * 1024) return 16;
if (size <= 128 * 1024) return 17;
if (size <= 256 * 1024) return 18;
if (size <= 512 * 1024) return 19;
if (size <= 1024 * 1024) return 20;
if (size <= 2 * 1024 * 1024) return 21;
if (!IS_ENABLED(CONFIG_PROFILE_ALL_BRANCHES) && size_is_constant)
BUILD_BUG_ON_MSG(1, "unexpected size in kmalloc_index()");
else
BUG();
return -1;
}
- 通过create_kmalloc_cache创建出对应的内存区域，且它们对应着0，96byte，192byte，8byte，16byte，32byte，64byte . . . 2M的连续内存空间。
2.2.2 slab分配的内存类型
- 内存类型则由
kmalloc_caches[KMALLOC_NORMAL][INDEX_NODE]中的KMALLOC_NORMAL决定，可选诸如KMALLOC_NORMAL、KMALLOC_DMA、KMALLOC_CGROUP、NR_KMALLOC_TYPES、KMALLOC_RECLAIM等，也可以由用户自己定义自己的专用内存类型，诸如kvm_vcpu、dquot、signal_cache等等都是其他模块自行定义的内存类型。
enum kmalloc_cache_type {
/* 对应着kmalloc的内存 */
KMALLOC_NORMAL = 0,
#ifndef CONFIG_ZONE_DMA
KMALLOC_DMA = KMALLOC_NORMAL,
#endif
#ifndef CONFIG_MEMCG_KMEM
KMALLOC_CGROUP = KMALLOC_NORMAL,
#endif
#ifdef CONFIG_SLUB_TINY
KMALLOC_RECLAIM = KMALLOC_NORMAL,
#else
KMALLOC_RECLAIM,
#endif
#ifdef CONFIG_ZONE_DMA
/* 对应着dma-kmalloc的内存 */
KMALLOC_DMA,
#endif
#ifdef CONFIG_MEMCG_KMEM
KMALLOC_CGROUP,
#endif
NR_KMALLOC_TYPES
};
2.2.3 基本结构
kmem_cache数据结构代表一个slab 缓存kmem_cache_cpu表示了每个 CPU 对象的缓存信息。它用于存储每个 CPU 上的缓存数组（array_cache）以及一些与 CPU 相关的缓存统计信息array_cache用于表示该缓存在各个CPU中的slab对象kmem_cache_node用于管理各个内存节点上slab对象的分配
kmem_cache
struct kmem_cache {
struct array_cache __percpu *cpu_cache; //表示每个cpu中的slab对象
unsigned int batchcount;
//当cpu_cache为空时，从缓存slab中获取的对象数目，它还表示缓存增长时分配的对象数目。
//初始时为1，后续会调整
unsigned int limit;
//cpu_cache中的对象数目上限
//当slab free达到limit时，需要将array_caches中的部分obj返回到kmem_cache_node的页帧中
unsigned int shared; //表示该缓存是否是共享的
unsigned int size; //表示slab中的每个对象大小
struct reciprocal_value reciprocal_buffer_size; //用于存储一个缓存的倒数大小的数据结构
slab_flags_t flags; //用于存储常量标志的位掩码
unsigned int num; //每个slab中的对象数目
unsigned int gfporder; //slab关联页数
gfp_t allocflags; //强制使用的 GFP 标志，例如 GFP_DMA
size_t colour; //缓存颜色范围
unsigned int colour_off; //颜色偏移量
struct kmem_cache *freelist_cache; // 空闲对象管理
unsigned int freelist_size; // 空闲对象数量
//构造函数指针
void (*ctor)(void *obj); //这个在2.6之后已经废弃了
const char *name; //缓存名称
struct list_head list; //用于将缓存连接到全局缓存列表的链表节点
int refcount; //引用计数
int object_size; //对象的大小
int align; //对齐方式
#ifdef CONFIG_DEBUG_SLAB
unsigned long num_active; //活动对象的数量
unsigned long num_allocations; //分配的对象数量
unsigned long high_mark; //高水位标记
unsigned long grown; //已增长的对象数量
unsigned long reaped; //已收割的对象数量
unsigned long errors; //错误数量
unsigned long max_freeable; //最大可释放的空闲数量
unsigned long node_allocs; //节点分配数量
unsigned long node_frees; //节点释放数量
unsigned long node_overflow; //节点溢出数量
atomic_t allochit; //分配命中计数
atomic_t allocmiss; //分配未命中计数
atomic_t freehit; //释放命中计数
atomic_t freemiss; //释放未命中计数
#ifdef CONFIG_DEBUG_SLAB_LEAK
atomic_t store_user_clean;
#endif
int obj_offset; //对象偏移量
#endif
#ifdef CONFIG_MEMCG
struct memcg_cache_params memcg_params; //用于内存控制组的参数
#endif
#ifdef CONFIG_KASAN
struct kasan_cache kasan_info; //KASan 相关信息
#endif
#ifdef CONFIG_SLAB_FREELIST_RANDOM
unsigned int *random_seq; //用于slab freelist随机化的随机序列
#endif
unsigned int useroffset; //用户复制区域的偏移量
unsigned int usersize; //用户复制区域的大小
struct kmem_cache_node *node[MAX_NUMNODES];
//每个内存节点上的slab对象信息，每个node上包括部分空闲，全满以及全部空闲三个队列
};
keme_cache_cpu
struct kmem_cache_cpu{
void **freelist; //指向下一个可用的object
unsigned long tid; //全局独一无二的事物ID
struct page *page; //slab内存的page指针
#ifdef CONFIG_SLUB_CPU_PARTIAL
struct page *partial; //本地slab partial链表，主要是一些部分使用object的slab
#endif
};
array_cache
- array_cache是一个per_cpu数组，访问不需要加锁，是与cpu cache打交道的直接数据结构，每次获取空闲slab对象时都是通过
entry[avail--]去获取，当avail==0时，又从kmem_cache_node中获取batchcount个空闲对象到array_cache中。
struct array_cache {
unsigned int avail; //保存了当前array中的可用数目
unsigned int limit; //同上
unsigned int batchcount; //同上
unsigned int touched;
//缓存收缩时置0，缓存移除对象时置1，使得内核能确认在上一次收缩之后是否被访问过
void *entry[];
//用于存储缓存的条目的数组，大小在运行时动态确定
};
kmem_cache_node
- kmem_cache_node用于管理slab(实际对象存储伙伴页帧)，其会管理三个slab列表：
- 部分空闲partial
- 全部空闲empty
- 全部占用full
- array_cache获取batchcount空闲对象时，先尝试从partial分配，如果不够则再从empty分配剩余对象，如果都不够，则需要grow分配新的slab页帧。
struct kmem_cache_node {
spinlock_t list_lock; //自旋锁，用于保护缓存节点的链表操作
unsigned long nr_partial; //slab节点中slab的数量
struct list_head partial; //slab节点的slab partial链表
};
struct page
- 用于描述slab页面，一个slab页面由一个或多个page组成，page页帧是物理存储地址
2.3 工作原理
2.3.1 对象分配和释放过程
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三个指针：
- current指针，仅指向一个slab
- partial指针，指向未满slab链表
- full指针，指向全满slab链表
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对象分配：使用current slab，若满，从partial指向的slab中取空闲区域，把current指向的slab移到full
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- 查找合适的Slab Cache：当系统需要一个特定类型的对象时，首先在对应的Slab Cache中查找。
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- 选择Slab：在找到的Slab Cache中，系统会寻找状态为部分满（Partial）或空（Empty）的Slab。优先选择部分满的Slab，以提高内存利用率。
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- 分配对象：从选定的Slab中分配一个空闲对象。如果选择的是空Slab，系统会先初始化该Slab，然后分配对象。
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- 更新Slab状态：分配对象后，更新Slab的状态。如果所有对象都被分配，Slab状态变为满（Full）。
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对象释放：若是full则移动到partial，若partial全空则还给buddy分配器
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- 确定对象所属的Slab：释放对象时，系统首先确定该对象属于哪个Slab。
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- 释放对象：将对象标记为未使用，返回到Slab的空闲对象池中。
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- 更新Slab状态：如果释放对象前Slab是满的，则释放后状态变为部分满（Partial）。如果释放后Slab中所有对象都是空闲的，则状态变为空（Empty）。
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- Slab的回收：如果一个Slab长时间处于空状态，系统可能会决定回收该Slab，释放内存给操作系统。
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2.3.2 缓存色彩和内存对齐
- 缓存色彩：
- 缓存色彩是一种用于优化CPU缓存利用率的技术。由于CPU缓存行的存在，不同的内存地址可能会映射到同一个缓存行，这种现象称为缓存行冲突。缓存色彩通过在对象的内存地址上加上小的偏移量，使得连续分配的对象不会映射到相同的缓存行上，从而减少缓存行冲突，提高缓存的使用效率。
- 内存对齐：
- 内存对齐是指按照一定的边界来分配内存地址，使得数据的存取更加高效。在处理器架构中，对齐的内存访问通常比非对齐的内存访问速度要快。SLAB内存管理机制通过确保对象在内存中正确对齐，提高了数据访问的速度，减少了内存访问时间。
- 内存对齐的另一个好处是减少了系统的内存碎片。
3. SLAB、SLUB和SLOB
- SLAB分配器：适用于内存分配和释放频繁，且需要稳定内存使用的环境。它的设计注重减少内存碎片和提高内存利用率，非常适合长时间运行的服务或系统。
- SLUB分配器：适用于对性能要求高的场景，特别是在多核处理器上。它的设计简化了内存管理的数据结构，减少了锁的竞争，优化了CPU缓存的使用，提供了高效的内存分配。
- SLOB分配器：适用于内存资源非常有限的环境，如嵌入式系统或老旧的硬件。它的设计优先考虑内存的紧凑使用，尽可能减少内存的浪费。
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