21.slab实现(kmem_cache,array_cache,kmem_list3结构)

1. 数据结构

每个缓存由kmem_cache结构的一个实例表示,该结构的内容如下

mm/slab.c 
struct kmem_cache { 
/* 1) per-CPU数据，在每次分配/释放期间都会访问 */ 
struct array_cache *array[NR_CPUS]; 
/* 2) 可调整的缓存参数。由cache_chain_mutex保护 */ 
    unsigned int batchcount; 
    unsigned int limit; 
    unsigned int shared; 
    unsigned int buffer_size; 
    u32 reciprocal_buffer_size; 
/* 3) 后端每次分配和释放内存时都会访问 */ 
    unsigned int flags; /* 常数标志 */ 
    unsigned int num; /* 每个slab中对象的数量 */ 
/* 4) 缓存的增长/缩减 */ 
/* 每个slab中页数，取以2为底数的对数 */ 
    unsigned int gfporder; 
/* 强制的GFP标志，例如GFP_DMA */ 
    gfp_t gfpflags; 
    size_t colour; /* 缓存着色范围 */ 
    unsigned int colour_off; /* 着色偏移 */ 
    struct kmem_cache *slabp_cache; 
    unsigned int slab_size; 
    unsigned int dflags; /* 动态标志 */ 
/* 构造函数 */ 
    void (*ctor)(struct kmem_cache *, void *); 
/* 5) 缓存创建/删除 */ 
    const char *name; 
    struct list_head next; 
/* 6) 统计量 */ 
... 
    struct kmem_list3 *nodelists[MAX_NUMNODES]; 
};

这个冗长的结构分为多个部分，如源代码中的注释所示。开始的几个成员涉及每次分配期间内核对特定于CPU数据的访问，在本节稍后讨论。

 array是一个指向数组的指针，每个数组项都对应于系统中的一个CPU。每个数组项都包含了另一个指针，指向下文讨论的array_cache结构的实例。

 batchcount指定了在per-CPU列表为空的情况下，从缓存的slab中获取对象的数目。它还表示在缓存增长时分配的对象数目。

 limit指定了per-CPU列表中保存的对象的最大数目。如果超出该值，内核会将batchcount个对象返回到slab（如果接下来内核缩减缓存，则释放的内存从slab返回到伙伴系统）。

 buffer_size指定了缓存中管理的对象的长度。

内核对每个系统处理器都提供了一个array_cache实例。该结构定义如下：

mm/slab.c
struct array_cache {
　　unsigned int avail;
　　unsigned int limit;
　　unsigned int batchcount;
　　unsigned int touched;
　　spinlock_t lock;
　　void *entry[];
};

batchcount和limit的语义已经在上文给出。kmem_cache_s的值用作（通常不修改）per-CPU值的默认值，用于缓存的重新填充或清空。

 

avail保存了当前可用对象的数目。在从缓存移除一个对象时，将touched设置为1，而缓存收缩时，则将touched设置为0。这使得内核能够确认在缓存上一次收缩之后是否被访问过，也是缓存重要性的一个标志。最后一个成员是一个伪数组，其中并没有数组项，只是为了便于访问内存中array_cache实例之后缓存中的各个对象而已。

 

kmem_cache和第3、第4部分包含了管理slab所需的全部变量，在填充或清空per-CPU缓存时需要访问这两部分。

 

 nodelists是一个数组，每个数组项对应于系统中一个可能的内存结点。每个数组项都包含struct kmem_list3的一个实例，该结构中有3个slab列表（完全用尽、空闲、部分空闲），在下文讨论。

该成员必须置于结构的末尾。尽管它在形式上总是有MAX_NUMNODES项，但在NUMA计算机上实际可用的结点数目可能会少一些。因而该数组需要的项数也会变少，内核在运行时对该结构分配比理论上更少的内存，就可以缩减该数组的项数。如果nodelists放置在该结构中间，就无法做到这一点。

 objsize是缓存中对象的长度，包括用于对齐目的的所有填充字节。

 num保存了可以放入slab的对象的最大数目。

 free_limit指定了缓存在收缩之后空闲对象数的上限（如果在正常运行期间无需收缩缓存，那么空闲对象的数目可能超出该值）。

 flags是一个标志寄存器，定义缓存的全局性质。当前只有一个标志位。如果管理结构存储在slab外部，则置位CFLGS_OFF_SLAB。相关代码见22.slab分配器(创建缓存kmem_cache_create)

用于管理slab链表的表头保存在一个独立的数据结构中，定义如下：

mm/slab.c
struct kmem_list3 {
　　struct list_head slabs_partial; /* 首先是部分空闲链表，以便生成性能更好的汇编代码 */
　　struct list_head slabs_full;
　　struct list_head slabs_free;
　　unsigned long free_objects;
　　unsigned int free_limit;
　　unsigned int colour_next; /* 各结点缓存着色 */
　　spinlock_t list_lock;
　　struct array_cache *shared; /* 结点内共享 */
　　struct array_cache **alien; /* 在其他结点上 */
　　unsigned long next_reap; /* 无需锁定即可更新 */
　　int free_touched; /* 无需锁定即可更新 */
};

开始3个表头的语义，在前文已经解释过。free_objects表示slabs_partial和slabs_free的所有slab中空闲对象的总数。

free_touched表示缓存是否是活动的。在从缓存获取一个对象时，内核将该变量的值设置为1。在缓存收缩时，该值重置为0。但内核只有在free_touched预先设置为0时，才会收缩缓存。因为1表示内核的另一部分刚从该缓存获取对象，此时收缩是不合适的。

next_reap定义了内核在两次尝试收缩缓存之间，必须经过的时间间隔。其想法是防止由于频繁的缓存收缩和增长操作而降低系统性能，这种操作可能在某些系统负荷下发生。

free_limit指定了所有slab上容许未使用对象的最大数目。

 

kmem_cache的第3部分包含用于增长（和收缩）缓存的所有变量。

 gfporder指定了slab包含的页数目以2为底的对数，换句话说，slab包含2 gfporder页。

 3个colour成员包含了slab着色相关的所有数据。colour指定了颜色的最大数目，colour_next则是内核建立的下一个slab的颜色。但要注意，该值指定为kmem_list3的一个成员。colour_off是基本偏移量乘以颜色值获得的绝对偏移

量。这也是用于NUMA计算机，UMA系统可以将colour_next保存在struct kmem_cache中。但将下一个颜色放置在特定于结点的结构中，可以对同一结点上添加的slab顺序着色，对本地的CPU高速缓存有好处。

实例——如果有5种可能的颜色(0, 1, 2, 3, 4)，而偏移量单位是8字节，内核可以使用下列偏移量值：0×8= 0，1×8 = 8，2×8 = 16，3×8 = 24，4×8 = 32字节。