slub分配机制

• 如何分配内存块？
• 如何释放内存块？

一个内存块就是一个object。

​单个物理页之内分配小内存使用slub分配，页级别的物理内存分配使用伙伴Buddy系统分配​。

slub系统如何分配内存块？

从整体上看，

• 当零售商kmem_cache初始化后，该kmem_cache是没有slab的；
• 当其他模块需要从该kmem_cache中申请一个对象时，kmem_cache会从伙伴系统获取一段连续的物理页作为一个slab，然后通过kmem_cache中的cotr函数指针指向的构造函数构造初始化这个slab，并将其设置为该cpu当前使用的slab；
• 当该cpu当前使用的slab使用完后，外部模块在申请对象时，会把这个满的slab移除，再从伙伴系统获取一段连续物理页作为一个新的空闲slab，并设置为该cpu当前使用的slab；

slub系统分配内存块object，需要考虑的情形有：

1. 一个slub初始化结束
2. 初始化完成后，第一次申请对象
3. 运行时申请内存
   3.1 当前cpu使用的slab有多余的空闲对象
   3.2 当前cpu使用的slab没有多余的空闲对象
   3.2.1 当前cpu的部分空slab链表为空
   3.2.2 当前cpu的部分空slab链表不为空

一个slub初始化完成时

当一个slub初始化完成时，该slub是没有slab的。

slub刚初始化完成.png

第一次申请内存块object

如果此时是用户第一次申请内存块object，则slub系统会做如下工作：

• 从伙伴系统中获取一段连续的物理页作为一个slab；
• 将该slab分成多个内存块object；
• 从中取出一个内存块object并标记为已占用，返回给用户；
• 将其余内存块object标记为空闲，放在营业厅kmem_cache_cpu中保存，即使用kmem_cache_cpu的freelist变量来保存下一个空闲object的地址；
  slub初始化后第一次申请内存块.png

当前cpu使用的slab有多余的空闲对象

如果此时用户申请内存块object，则slub系统会做如下工作：
直接从这些多余的空闲对象中分配一个出去给用户。
具体地讲，就是直接将kmem_cache_cpu中保存的一个空闲object返回给用户，并把freelist指向下一个空闲的object。

营业厅kmem_cache_cpu使用的slab中有多余的空闲对象.png

当前cpu使用的slab满了

• 当前cpu的部分空slab链表不为空
• 当前cpu的部分空slab链表为空

当前cpu的部分空slab链表不为空

如果此时用户申请内存块时，则slub系统会做如下工作：

• 从营业厅kmem_cache_cpu中将当前使用的满slab移除；
• 从kmem_cache_cpu的部分空slab链表中获取一个部分空的slab，并设置为kmem_cache_cpu当前使用的slab；
  当前cpu使用的slab满但部分空slab链表不为空.png

当前cpu的部分空slab链表为空

如果此时用户申请内存块时，则slub系统会做如下工作：

• 从kmem_cache_node的部分空slab链表获取若干个部分空slab；
• 将前面得到的若干个部分空slab放入kmem_cache_cpu的部分空slab链表中；
• 执行情形当前cpu的部分空slab链表不为空；
  当前cpu使用的slab和部分空slab链表都满了.png

slub系统如何释放内存？

从整体上看，

• 当那些满slab中有对象释放时，SLUB分配器优先把这些slab放入该cpu对应的部分空slab链表；
• 当一个部分空slab通过释放对象成为了一个空闲slab时，SLUB分配器会视情况而定将此空闲slab释放还是加入到node结点的部分空slab链表中；

slub系统释放内存块需要考虑的情形有：

1. 部分空的slab释放其中一个已占用的内存块object后仍是部分空slab；
2. 满slab释放一个内存块object后，变成了部分空slab
3. 部分空slab释放一个内存块object后，变成了空闲slab

部分空的slab释放内存块object后仍是部分空slab

直接释放该内存块即可。

部分空slab释放后还是部分空.png

满slab释放一个内存块object后变成了部分空slab

将该部分空slab放入kmem_cache_cpu的部分空链表中。

满slab释放后变部分空.png

部分空slab释放一个内存块object后，变成了空闲slab

slub系统会做有如下工作：

• 检查kmem_cache_node的部分空链表中slab缓冲区的个数；
• 如果其中slab数量小于kmem_cache中的min_partial，则将该空闲slab放入kmem_cache_node的部分空链表中；

• 否则释放此空闲slab，将其占用页框返回伙伴系统中；

  
  部分空slab释放后变空闲.png

类比机制

从整体上看：slub系统相当于零售商，先向伙伴系统批发内存，然后再零售出去。

具体地看：

• 一个kmem_cache结构体相当于一个特定大小内存的零售商；
• 整个slub系统共有12个这样的零售商kmem_cache，每个零售商kmem_cache只零售特定大小的内存；
• 每个零售商kmem_cache有两个部门，一个营业厅kmem_cache_cpu，一个仓库kmem_cache_node；
• 营业厅kmem_cache_cpu里只保留一个slab，且只有在营业厅kmem_cache_cpu中没有空闲内存时才从仓库中换出其他的slab；
• 一个slab就是零售商kmem_cache批发的连续的整页内存；零售商将这些整页的内存分成许多小内存，然后分别零售出去；一个slab可能包含多个连续的内存页；slab的大小跟零售商有关；

参考资料

• linux 内核 内存管理 slub算法 （一） 原理
• linux内存源码分析 - SLUB分配器概述