Linux 内存管理(4): 以字节为单位的内存管理

本节讨论以字节为单位的内存管理。

kmalloc()和vmalloc()

kmalloc()

kmalloc()和用户空间中的malloc()类似，只不过多了一个flag参数。它可以获得以字节为单位的一块内核内存。大多数内核分配都使用kmalloc()。

声明在<linux/slab.h>中：

void * kmalloc(size_t size, gfp_t flags)

kmalloc()的另一端就是kfree：

void kfree(const void *ptr)

vmalloc()

vmalloc()类似于kmalloc()，只不过vmalloc()分配的线性地址是连续的，而物理地址无须连续。这也是用户空间分配函数的工作方式，由malloc()返回的页在进程的线性地址空间内是连续的，但并不保证它们在物理RAM中也是连续的。vmalloc()只确保页在线性地址中是连续的，它通过分配非连续的物理内存块，再“修正”页表，把物理内存映射到线性地址空间的连续区域中。这会有一些性能损耗，所以vmalloc()常用于分配大块的内存。

相对应的释放函数为：

void vfree(const void *addr)

slab层

分配和释放数据结构是内核中最普遍的操作之一，为了便于数据的频繁分配和回收，程序员常常用到空闲链表，空闲链表提供可用的，已经分配好的数据结构块，需要是从链表中取一个，用完后再放回链表。slab层就是类似这个空闲链表的角色。

slab分配器扮演了通用数据结构缓存层的角色。它把不同的对象划分为所谓高速缓存组，其中每个高速缓存组都存放不同类型的对象。比如一个高速缓存组用于存放进程描述符（ task_struct），另一个高速缓存存放索引节点对象（struct inode）。

然后这些高速缓存又被划分为slab，slab由一个或多个物理上连续的页组成，每个高速缓存可以由多个slab组成。slab中包含一些对象成员，而slab的状态可以为“满”，“部分满 ”或者“空”。当内核的某一部分需要一个新的对象时，先从部分满的slab中进行分配，如果没有部分满的slab，就从空的slab中分配。

结构和使用

每个高速缓存都使用kmem_cache结构体表示，该结构体包含三个链表：slabs_full， slabs_partial和slabs_empty。

slab描述符struct slab用来描述每个slab:

struct slab {
    struct list_head    list;      /* 满、部分满或空的链表 */
    unsigned long       colouroff; /* slab 着色的偏移量 */
    void                *s_mem;    /* 在slab中的第一个对象 */
    unsigned int        inuse;     /* slab中已分配的对象数 */
    kmem_bufctl_t       free;      /* 第一个空闲对象(如果有的话) */
};

slab分配器使用__get_free_pages()来创建新的slab。

创建新的高速缓存：

struct kmem_cache * kmem_cache_create(const char *name,
                                      size_t, size,
                                      size_t align,
                                      unsigned long flags,
                                      void (*ctor)(void *));
/*
 * name 表示高速缓存的名字
 * size 指每个元素的大小
 * align 指slab内第一个元素的偏移，一般为0
 * flags 用来控制高速缓存的行为
 * ctor 是高速缓存的构造函数，但Linux没有用到它
 */

从缓存中分配：

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

释放一个对象，返还给原先的slab：

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

参考资料：