linux为什么要采用slab分配机制

采用伙伴算法分配内存时，每次至少分配一个页面。但当请求分配的内存大小为几十个字节或几百个字节时应该如何处理？如何在一个页面中分配小的内存区，小内存区的分配所产生的内碎片又如何解决？

Linux2.0采用的解决办法是建立了13个空闲区链表，它们的大小从32字节到132056字节。从Linux2.2开始，MM的开发者采用了一种叫做slab的分配模式，该模式早在1994年就被开发出来，用于Sun Microsystem Solaris 2.4 *** 作系统中。Slab的提出主要是基于以下考虑：

· 内核对内存区的分配取决于所存放数据的类型。例如，当给用户态进程分配页面时，内核调用get_free_page()函数，并用0填充这个页面。 而给内核的数据结构分配页面时，事情没有这么简单，例如，要对数据结构所在的内存进行初始化、在不用时要收回它们所占用的内存。因此，Slab中引入了对象这个概念，所谓对象就是存放一组数据结构的内存区，其方法就是构造或析构函数，构造函数用于初始化数据结构所在的内存区，而析构函数收回相应的内存区。但为了便于理解，你也可以把对象直接看作内核的数据结构。为了避免重复初始化对象，Slab分配模式并不丢弃已分配的对象，而是释放但把它们依然保留在内存中。当以后又要请求分配同一对象时，就可以从内存获取而不用进行初始化，这是在Solaris 中引入Slab的基本思想。

实际上，Linux中对Slab分配模式有所改进，它对内存区的处理并不需要进行初始化或回收。出于效率的考虑，Linux并不调用对象的构造或析构函数，而是把指向这两个函数的指针都置为空。Linux中引入Slab的主要目的是为了减少对伙伴算法的调用次数。

· 实际上，内核经常反复使用某一内存区。例如，只要内核创建一个新的进程，就要为该进程相关的数据结构（task_struct、打开文件对象等）分配内存区。当进程结束时，收回这些内存区。因为进程的创建和撤销非常频繁，因此，Linux的早期版本把大量的时间花费在反复分配或回收这些内存区上。从Linux2.2开始，把那些频繁使用的页面保存在高速缓存中并重新使用。

· 可以根据对内存区的使用频率来对它分类。对于预期频繁使用的内存区，可以创建一组特定大小的专用缓冲区进行处理，以避免内碎片的产生。对于较少使用的内存区，可以创建一组通用缓冲区（如Linux2.0中所使用的2的幂次方）来处理，即使这种处理模式产生碎片，也对整个系统的性能影响不大。

· 硬件高速缓存的使用，又为尽量减少对伙伴算法的调用提供了另一个理由，因为对伙伴算法的每次调用都会“弄脏”硬件高速缓存，因此，这就增加了对内存的平均访问次数。

Slab分配模式把对象分组放进缓冲区（尽管英文中使用了Cache这个词，但实际上指的是内存中的区域，而不是指硬件高速缓存）。因为缓冲区的组织和管理与硬件高速缓存的命中率密切相关，因此，Slab缓冲区并非由各个对象直接构成，而是由一连串的“大块（Slab）”构成，而每个大块中则包含了若干个同种类型的对象，这些对象或已被分配，或空闲，如图6.12所示。一般而言，对象分两种，一种是大对象，一种是小对象。所谓小对象，是指在一个页面中可以容纳下好几个对象的那种。例如，一个inode结构大约占300多个字节，因此，一个页面中可以容纳8个以上的inode结构，因此，inode结构就为小对象。Linux内核中把小于512字节的对象叫做小对象。

Linux 在拿到一大块内存后（譬如是64MB内存），先将其看作是好多个连续排列的 4MB 内存。

那么如果程序请求1MB的内存，那么内存分配 *** 作逻辑如下：

这个算法就是所谓的 binary buddy 分配算法。

在 Linux 中，这个二分法最小分割到 4096 字节，也就是一个页的大小。

因此总共有 11 种大小，分别为 4KB，8KB，……4MB。

其中 4KB 为 order 0，4MB 为 order 10.

我们称其 max order 为 12，有些资料会提到这个概念。

以上这些信息可以在 /proc/buddyinfo 上查看，其格式大概是这样：

buddy 在上面这种情况下，有些被分为小块内存，那么就会存在内存碎片的问题。

/proc/pagetypeinfo

以上 buddy 管理的是不小于4K 的内存分配，slab 则是管理小于4KB 的内存对象。

1、Buddy算法

linux对空闲内存空间管理采取buddy算法，

Buddy算法：

把内存中所有页面按照2^n划分，其中n=0~5，每个内存空间按1个页面、2个页面、4个页面、8个页面、16个页面、32个页面进行六次划分。划分后形成了大小不等的存储块，称为页面块，简称页块，包含一个页面的页块称为1页块，包含2个页面的称为2页块，依次类推。

每种页块按前后顺序两两结合成一对Buddy“伙伴”。系统按照Buddy关系把具有相同大小的空闲页面块组成页块组，即1页块组、2页块组……32页块组。 每个页块组用一个双向循环链表进行管理，共有6个链表，分别为1、2、4、8、16、32页块链表。分别挂到free_area[] 数组上。

位图数组

用于标记内存页面使用情况，第0组每一位表示单个页面使用情况，1表示使用，0表示空闲，第二组每一位表示比邻的两个页面使用情况，一次类推。默认为10个数组，当一对Buddy的两个页面中有一个事空闲的，而另一个全部或部分被占用时，该位置1.两个页面块都是空闲，对应位置0.

内存分配和释放过程

内存分配时，系统按照Buddy算法，根据请求的页面数在free_area[]对应的空闲页块组中搜索。 若请求页面数不是2的整数次幂，则按照稍大于请求数的2的整数次幂的值搜索相应的页面块组。

当相应页块组中没有可使用的空闲页面块时就查询更大一些的页块组，在找到可用的页块后分配所需要的页面。当某一空闲页面被分配后，若仍有剩余的空闲页面，则根据剩余页面的大小把他们加入到相应页面组中。

内存页面释放时，系统将其作为空闲页面看待，检查是否存在与这些页面相邻的其他空闲页块，若存在，则合为一个连续的空闲区按Buddy算法重新分组。

2、Slab算法

采用buddy算法，解决了外碎片问题，这种方法适合大块内存请求，不适合小内存区请求。如：几十个或者几百个字节。Linux2.0采用传统内存分区算法，按几何分布提供内存区大小，内存区以2的幂次方为单位。虽然减少了内碎片，但没有显著提高系统效率。

Linux2.4采用了slab分配器算法，该算法比传统的分配器算法有更好性能和内存利用率，最早在solaris2.4上使用。

Slab分配器思想

1）小对象的申请和释放通过slab分配器来管理。

2）slab分配器有一组高速缓存，每个高速缓存保存同一种对象类型，如i节点缓存、PCB缓存等。

3）内核从它们各自的缓存种分配和释放对象。

4）每种对象的缓存区由一连串slab构成，每个slab由一个或者多个连续的物理页面组成。这些页面种包含了已分配的缓存对象，也包含了空闲对象。

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