Linux 内存管理法 Slab 实现更有效的资源使用

在 Linux 系统的内存管理中，Slab 是一种重要的内存分配机制。它能够更有效地使用系统资源，提高性能和稳定性。本文将详细介绍 Slab 内存管理法的基本概念、实现机制以及它对系统性能的影响。

1. Slab 内存管理法的概念

Slab 内存管理法是一种基于对象缓存的内存分配方式。它将内存划分为一系列的 Slab 块，每个 Slab 块用于存储一类固定大小的对象。内核在初始化阶段预先分配一些 Slab 块，并将它们按需分配给进程。

1.1 内核对象和 Slab 块

在 Slab 内存管理法中，内核会创建一些对象类型，并将每个对象类型的大小以及分配算法定义在对象描述符中。每个对象类型都对应一个 Slab 缓存，用于存储该类型的对象。

Slab 块是一块连续的内存区域，由多个页组成。当需要分配对象时，内核会从对应的 Slab 缓存中获取 Slab 块，并从中分配对象。如果 Slab 块已经被全部分配完，则内核会重新分配一个新的 Slab 块并加入到对应的 Slab 缓存中。

1.2 对象的分配和释放

在 Slab 内存管理法中，对象的分配和释放都是以 Slab 块为单位进行的。当需要分配对象时，内核会首先查找对应的 Slab 缓存是否有可用的 Slab 块，如果有，则从中分配一个对象返回给进程。如果 Slab 缓存中没有可用的 Slab 块，则内核会分配一个新的 Slab 块并加入到对应的 Slab 缓存中。

当对象不再使用时，内核将其释放回对应的 Slab 缓存中，以便下次再次被分配使用。如果 Slab 缓存中的 Slab 块已经全部释放，且该 Slab 缓存的对象类型已经没有进程在使用，则内核会释放该 Slab 缓存占用的内存空间。

2. Slab 内存管理法的实现

Slab 内存管理法的实现主要包括三个阶段：初始化阶段、分配阶段和释放阶段。

2.1 初始化阶段

在初始化阶段，内核会创建一些对象类型，并为每个对象类型分配一个对象描述符。对象描述符中包含了对象的大小、分配算法以及其他相关信息。此外，内核还会预先分配一定数量的 Slab 块，并将它们划分到对应的对象描述符中。

struct kmem_cache {

    struct list_head list;
    unsigned int object_size;
    unsigned int object_count;
    ...
};
struct kmem_cache *kmem_cache_create(const char *name, size_t size,
                                     size_t align, unsigned long flags,
                                     void (*ctor)(void *));

以上是内核中用于创建对象描述符和 Slab 块的数据结构和函数。在创建对象描述符时，需要指定对象的大小、对齐方式以及其他属性。而函数 kmem_cache_create 则用于创建对象描述符，并返回一个指向对象描述符的指针。

2.2 分配阶段

在分配阶段，当进程需要分配一个对象时，内核会根据对象描述符找到对应的 Slab 缓存，并从其对应的 Slab 块中分配一个对象返回给进程。如果 Slab 缓存中的 Slab 块已经全部分配完，则内核会分配一个新的 Slab 块，并加入到对应的 Slab 缓存中。

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

以上是内核中用于分配对象的函数。函数 kmem_cache_alloc 接受一个指向对象描述符的指针，并返回一个指向分配的对象的指针。

2.3 释放阶段

在释放阶段，当进程不再使用一个对象时，内核将该对象释放回对应的 Slab 缓存中。如果该 Slab 缓存的 Slab 块已经全部释放，并且该 Slab 缓存的对象类型已经没有进程在使用，则内核会释放该 Slab 缓存占用的内存空间。

void kmem_cache_free(struct kmem_cache *s, void *obj);

以上是内核中用于释放对象的函数。函数 kmem_cache_free 接受一个指向对象描述符的指针和一个指向要释放的对象的指针作为参数。

3. Slab 内存管理法对系统性能的影响

Slab 内存管理法相比于传统的内存分配方式，具有以下优点：

3.1 节省内存碎片

传统的内存分配方式中，每个对象的大小都不固定，导致了较大的内存碎片。而 Slab 内存管理法将内存划分为固定大小的 Slab 块，每个 Slab 块用于存储一类固定大小的对象，减少了内存碎片的产生。

3.2 提高内存分配速度

由于 Slab 内存管理法使用对象描述符和预先分配的 Slab 块，避免了频繁的内存分配和释放操作，从而提高了内存分配的速度。

3.3 减少内存分配锁的竞争

传统的内存分配方式中，多个进程同时申请内存时，需要通过分配锁来保证分配的原子性，从而引入了大量的锁竞争。而 Slab 内存管理法通过为每个进程分配独立的 Slab 缓存，减少了内存分配锁的竞争，提高了系统的并发性能。

4. 总结

Slab 内存管理法是 Linux 系统中一种重要的内存分配方式，它通过对象缓存的方式进行内存分配，提高了系统的性能和稳定性。Slab 内存管理法能够有效地利用系统资源，减少内存碎片，提高内存分配速度，并减少内存分配锁的竞争。在实际应用中，开发者可以根据实际情况选择合适的对象大小和分配算法，以及适当调整预分配的 Slab 块数量，以达到更好的性能和资源利用率。