Linux内存管理之slab机制（分配对象）
商振
Linux内核从slab中分配内存空间上层函数由kmalloc()或kmem_cache_alloc()函数实现。
kmalloc()->__kmalloc()->__do_kmalloc()
/**
* __do_kmalloc - allocate memory
* @size: how many bytes of memory are required.
* @flags: the type of memory to allocate (see kmalloc).
* @caller: function caller for debug tracking of the caller
*/
static __always_inline void *__do_kmalloc(size_t size, gfp_t flags,
void *caller)
{
struct kmem_cache *cachep;
void *ret;
/* If you want to save a few bytes .text space: replace
* __ with kmem_.
* Then kmalloc uses the uninlined functions instead of the inline
* functions.
*/
/*查找指定大小的通用cache，关于sizes[]数组，在前面
的初始化中就已经分析过了*/
cachep = __find_general_cachep(size, flags);
if (unlikely(ZERO_OR_NULL_PTR(cachep)))
return cachep;
/*实际的分配工作*/
ret = __cache_alloc(cachep, flags, caller);
trace_kmalloc((unsigned long) caller, ret,
size, cachep->buffer_size, flags);
return ret;
}实际的分配工作：__do_cache_alloc()->__cache_alloc()->____cache_alloc()
/*从指定cache中分配对象*/
static inline void *____cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags)
{
void *objp;
struct array_cache *ac;
check_irq_off();
/* 获得本CPU的local cache */
ac = cpu_cache_get(cachep);
/* 如果local cache中有可用的空闲对象 */
if (likely(ac->avail)) {
/* 更新local cache命中计数 */
STATS_INC_ALLOCHIT(cachep);
/* touched置1表示最近使用了local cache，这会影响填充
local cache时的数目，最近使用的填充较多的对象 */
ac->touched = 1;
/* 从local cache的entry数组中提取最后面的空闲对象 */
objp = ac->entry[--ac->avail];
} else {
/* local cache中没有空闲对象，更新未命中计数 */
STATS_INC_ALLOCMISS(cachep);
/* 从slab三链中提取空闲对象填充到local cache中 */
objp = cache_alloc_refill(cachep, flags);
#if 0/*这里是我新加的，这里可能是这个版本的一个bug,在最新的内核里面这块已经加上了*/
/*
* the 'ac' may be updated by cache_alloc_refill(),
* and kmemleak_erase() requires its correct value.
*/
/* cache_alloc_refill的cache_grow打开了中断，local cache指针可能发生了变化，需要重新获得 */
ac = cpu_cache_get(cachep);
#endif
}
/*
* To avoid a false negative, if an object that is in one of the
* per-CPU caches is leaked, we need to make sure kmemleak doesn't
* treat the array pointers as a reference to the object.
*/ /* 分配出去的对象，其entry指针指向空 */
kmemleak_erase(&ac->entry[ac->avail]);
return objp;
}该函数的执行流程：
1，从本地CPU cache中查找是否有空闲的对象；
2，如果本地CPU cache 中没有空闲对象，从slab三链中提取空闲对象，此操作由函数cache_alloc_refill()实现
1）如果存在共享本地cache，那么将共享本地cache中的对象批量复制到本地cache。
2）如果没有shared local cache，或是其中没有空闲的对象，从slab链表中分配，其中，从slab中分配时，先查看部分空余链表，然后再查看空余链表。将slab链表中的数据先放到本地CPU cache中。
3） 如果本地CPU cache中任然没有数据，那么只有重新创建一个slab，然后再试。
/*从slab三链中提取一部分空闲对象填充到local cache中*/
static void *cache_alloc_refill(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags)
{
int batchcount;
struct kmem_list3 *l3;
struct array_cache *ac;
int node;
retry:
check_irq_off();
/* 获得本内存节点，UMA只有一个节点 */
node = numa_node_id();
/* 获得本CPU的local cache */
ac = cpu_cache_get(cachep);
/* 批量填充的数目，local cache是按批填充的 */
batchcount = ac->batchcount;
if (!ac->touched && batchcount > BATCHREFILL_LIMIT) {
/*
* If there was little recent activity on this cache, then
* perform only a partial refill. Otherwise we could generate
* refill bouncing.
*/
/* 最近未使用过此local cache，没有必要添加过多的对象
，添加的数目为默认的限定值 */
batchcount = BATCHREFILL_LIMIT;
}
/* 获得本内存节点、本cache的slab三链 */
l3 = cachep->nodelists[node];
BUG_ON(ac->avail > 0 || !l3);
spin_lock(&l3->list_lock);
/* See if we can refill from the shared array */
/* shared local cache用于多核系统中，为所有cpu共享
，如果slab cache包含一个这样的结构
，那么首先从shared local cache中批量搬运空闲对象到local cache中
。通过shared local cache使填充工作变得简单。*/
if (l3->shared && transfer_objects(ac, l3->shared, batchcount))
goto alloc_done;
/* 如果没有shared local cache，或是其中没有空闲的对象
，从slab链表中分配 */
while (batchcount > 0) {
struct list_head *entry;
struct slab *slabp;
/* Get slab alloc is to come from. */
/* 先从部分满slab链表中分配 */
entry = l3->slabs_partial.next;
/* next指向头节点本身，说明部分满slab链表为空 */
if (entry == &l3->slabs_partial) {
/* 表示刚刚访问了slab空链表 */
l3->free_touched = 1;
/* 检查空slab链表 */
entry = l3->slabs_free.next;
/* 空slab链表也为空，必须增加slab了 */
if (entry == &l3->slabs_free)
goto must_grow;
}
/* 获得链表节点所在的slab */
slabp = list_entry(entry, struct slab, list);
/*调试用*/
check_slabp(cachep, slabp);
check_spinlock_acquired(cachep);
/*
* The slab was either on partial or free list so
* there must be at least one object available for
* allocation.
*/
BUG_ON(slabp->inuse >= cachep->num);
while (slabp->inuse < cachep->num && batchcount--) {
/* 更新调试用的计数器 */
STATS_INC_ALLOCED(cachep);
STATS_INC_ACTIVE(cachep);
STATS_SET_HIGH(cachep);
/* 从slab中提取一个空闲对象，将其虚拟地址插入到local cache中 */
ac->entry[ac->avail++] = slab_get_obj(cachep, slabp,
node);
}
check_slabp(cachep, slabp);
/* move slabp to correct slabp list: */
/* 从原链表中删除此slab节点，list表示此
slab位于哪个链表（满、部分满、空）中 */
list_del(&slabp->list);
/*因为从中删除了一个slab，需要从新检查*/
if (slabp->free == BUFCTL_END)
/* 此slab中已经没有空闲对象，添加到“full”slab链表中 */
list_add(&slabp->list, &l3->slabs_full);
else
/* 还有空闲对象，添加到“partial”slab链表中 */
list_add(&slabp->list, &l3->slabs_partial);
}
must_grow:
/* 前面从slab链表中添加avail个空闲对象到local cache中
，更新slab链表的空闲对象数 */
l3->free_objects -= ac->avail;
alloc_done:
spin_unlock(&l3->list_lock);
/* local cache中仍没有可用的空闲对象，说明slab
三链中也没有空闲对象，需要创建新的空slab了 */
if (unlikely(!ac->avail)) {
int x;
/* 创建一个空slab */
x = cache_grow(cachep, flags | GFP_THISNODE, node, NULL);
/* cache_grow can reenable interrupts, then ac could change. */
/* 上面的操作使能了中断，此期间local cache指针可能发生了变化，需要重新获得 */
ac = cpu_cache_get(cachep);
/* 无法新增空slab，local cache中也没有空闲对象，表明系统已经无法分配新的空闲对象了 */
if (!x && ac->avail == 0) /* no objects in sight? abort */
return NULL;
/* 走到这有两种可能，第一种是无论新增空slab成功或失败，只要avail不为0
，表明是其他进程重填了local cache，本进程就不需要重填了
，不执行retry流程。第二种是avail为0，并且新增空slab成功
，则进入retry流程，利用新分配的空slab填充local cache */
if (!ac->avail) /* objects refilled by interrupt? */
goto retry;
}
/* 重填了local cache，设置近期访问标志 */
ac->touched = 1;
/* 返回local cache中最后一个空闲对象的虚拟地址 */
return ac->entry[--ac->avail];
}几个涉及到的辅助函数
/*
* Transfer objects in one arraycache to another.
* Locking must be handled by the caller.
*
* Return the number of entries transferred.
*/
static int transfer_objects(struct array_cache *to,
struct array_cache *from, unsigned int max)
{
/* Figure out how many entries to transfer */
int nr = min(min(from->avail, max), to->limit - to->avail);
if (!nr)
return 0;
/*拷贝*/
memcpy(to->entry + to->avail, from->entry + from->avail -nr,
sizeof(void *) *nr);
/*两边数据更新*/
from->avail -= nr;
to->avail += nr;
to->touched = 1;
return nr;
}/*从slab中提取一个空闲对象*/
static void *slab_get_obj(struct kmem_cache *cachep, struct slab *slabp,
int nodeid)
{
/* 获得一个空闲的对象，free是本slab中第一个空闲对象的索引 */
void *objp = index_to_obj(cachep, slabp, slabp->free);
kmem_bufctl_t next;
/* 更新在用对象计数 */
slabp->inuse++;
/* 获得下一个空闲对象的索引 */
next = slab_bufctl(slabp)[slabp->free];
#if DEBUG
slab_bufctl(slabp)[slabp->free] = BUFCTL_FREE;
WARN_ON(slabp->nodeid != nodeid);
#endif
/* free指向下一个空闲的对象 */
slabp->free = next;
return objp;
}static inline void *index_to_obj(struct kmem_cache *cache, struct slab *slab,
unsigned int idx)
{ /* s_mem是slab中第一个对象的起始地址，buffer_size是每个对象的大小
，这里根据对象索引计算对象的地址 */
return slab->s_mem + cache->buffer_size * idx;
}static inline kmem_bufctl_t *slab_bufctl(struct slab *slabp)
{
return (kmem_bufctl_t *) (slabp + 1);
}static inline struct array_cache *cpu_cache_get(struct kmem_cache *cachep)
{
return cachep->array[smp_processor_id()];
}
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