slub機制完全圖解分析

       內核管理頁面使用了2個算法：夥伴算法和slub算法，夥伴算法以頁爲單位管理內存，但在大多數狀況下，程序須要的並非一整頁，而是幾個、幾十個字節的小內存。因而須要另一套系統來完成對小內存的管理，這就是slub系統。slub系統運行在夥伴系統之上，爲內核提供小內存管理的功能。

        slub把內存分組管理，每一個組分別包含2^三、2^四、...2^11個字節，在4K頁大小的默認狀況下，另外還有兩個特殊的組，分別是96B和192B，共11組。之因此這樣分配是由於若是申請2^12B（4KB）大小的內存，就可使用夥伴系統提供的接口直接申請一個完整的頁面便可。

        slub就至關於零售商，它向夥伴系統「批發」內存，而後在零售出去。一下是整個slub系統的框圖：

         

         一切的一切源於kmalloc_caches[12]這個數組，該數組的定義以下：

struct kmem_cache kmalloc_caches[PAGE_SHIFT] __cacheline_aligned;

       每一個數組元素對應一種大小的內存，能夠把一個kmem_cache結構體看作是一個特定大小內存的零售商，整個slub系統中共有12個這樣的零售商，每一個「零售商」只「零售」特定大小的內存，例如：有的「零售商」只"零售"8Byte大小的內存，有的只」零售「16Byte大小的內存。

       每一個零售商(kmem_cache)有兩個「部門」，一個是「倉庫」：kmem_cache_node，一個「營業廳」：kmem_cache_cpu。「營業廳」裏只保留一個slab，只有在營業廳(kmem_cache_cpu)中沒有空閒內存的狀況下才會從倉庫中換出其餘的slab。
       所謂slab就是零售商(kmem_cache)批發的連續的整頁內存，零售商把這些整頁的內存分紅許多小內存，而後分別「零售」出去，一個slab可能包含多個連續的內存頁。slab的大小和零售商有關。

相關數據結構：

        物理頁按照對象(object)大小組織成單向鏈表，對象大小是由objsize指定的。例如16字節的對象大小，每一個object就是16字節，每一個object包含指向下一個object的指針，該指針的位置是每一個object的起始地址+offset。每一個object示意圖以下:

                                                 
        void*指向的是下一個空閒的object的首地址，這樣object就連成了一個單鏈表。

        向slub系統申請內存塊(object)時：slub系統把內存塊當成object看待。

1. slub系統剛剛建立出來，這是第一次申請。
   此時slub系統剛創建起來，營業廳(kmem_cache_cpu)和倉庫(kmem_cache_node)中沒有任何可用的slab，以下圖中1所示：
                 
   所以只能向夥伴系統申請空閒的內存頁，並把這些頁面分紅不少個object，取出其中的一個object標誌爲已被佔用，並返回給用戶，其他的object標誌爲空閒並放在kmem_cache_cpu中保存。kmem_cache_cpu的freelist變量中保存着下一個空閒object的地址。上圖2表示申請一個新的slab，並把第一個空閒的object返回給用戶，freelist指向下一個空閒的object。
    
2. slub的kmem_cache_cpu中保存的slab上有空閒的object可使用。
   這種狀況是最簡單的一種，直接把kmem_cache_cpu中保存的一個空閒object返回給用戶，並把freelist指向下一個空閒的object。
               
    
3. slub已經連續申請了不少頁，如今kmem_cache_cpu中已經沒有空閒的object了，但kmem_cache_node的partial中有空閒的object 。因此從kmem_cache_node的partial變量中獲取有空閒object的slab，並把一個空閒的object返回給用戶。
4.          
             
   上圖中，kmem_cache_cpu中已經都被佔用的slab放到倉庫中，kmem_cache_node中有兩個雙鏈表，partial和full，分別盛放不滿的slab(slab中有空閒的object)和全滿的slab(slab中沒有空閒的object)。而後從partial中挑出一個不滿的slab放到kmem_cache_cpu中。
                
   上圖中，kmem_cache_cpu中中找出空閒的object返回給用戶。
   
    
5. slub已經連續申請了不少頁，如今kmem_cache_cpu中保存的物理頁上已經沒有空閒的object可使用了，而此時kmem_cache_node中沒有空閒的頁面了，只能向內存管理器(夥伴算法)申請slab。並把該slab初始化，返回第一個空閒的object。
                 
                
   上圖表示，kmem_cache_node中沒有空閒的object可使用，因此只能從新申請一個slab。
   
   
                 
   把新申請的slab中的一個空閒object返回給用戶使用，freelist指向下一個空閒object。

      向slub系統釋放內存塊(object)時，若是kmem_cache_cpu中緩存的slab就是該object所在的slab，則把該object放在空閒鏈表中便可，若是kmem_cache_cpu中緩存的slab不是該object所在的slab，而後把該object釋放到該object所在的slab中。在釋放object的時候能夠分爲一下三種狀況：

 

1. object在釋放以前slab是full狀態的時候（slab中的object都是被佔用的），釋放該object後，這是該slab就是半滿（partail）的狀態了，這時須要把該slab添加到kmem_cache_node中的partial鏈表中。
              
   
               
2. slab是partial狀態時（slab中既有object被佔用，又有空閒的），直接把該object加入到該slab的空閒隊列中便可。
                  
   
                  
    
3. 該object在釋放後，slab中的object所有是空閒的，還須要把該slab釋放掉。
                    
   
                   
   這一步產生一個徹底空閒的slab，須要把這個slab釋放掉。
   
                   
    

 

     以上是slub算法的主要原理。