linux 源代码分析7:Slab块的管理
Slab块的管理
从slab中分配出去的内存实际都是slab从伙伴系统申请一块内存，然后分割成若干小块，再分配出去。
一个slab块被划分为长度相等的若干小块，第零个小块的首地址保存在struct slab的成员s_mem中，每个小块都有个编号，在一个slab块中是唯一的。一块从伙伴系统申请的内存块用structslab描述，一块slab的控制数据并不完全是保存在struct slab中，因为还需要一些数据来保存空闲小块的信息，不同的slab缓存中的slab块可能包含小块的数量不一样。空闲小块实际是以单向编号链表的方式管理的，对每个小块有一个编号，每个编号在编号链表中有一项用来保存指向下一项的编号。当分配内存时从链表头取下一项，但释放内存时把释放项加入链表头。空闲链表总是保存在struct slab结构之后。下图是一个包含6个小块，3个空闲小块的slab块的控制数据示例图，最前面方格保存struct slab结构，后面是slab空闲编号链表。
获取Slab块的空闲编号链表的地址的函数是slab_bufctl，在mm/slab.c中实现，代码如下：
2804 static inline kmem_bufctl_t*slab_bufctl(struct slab *slabp)
2805 {
2806 return (kmem_bufctl_t *) (slabp + 1);
2807 }index_to_obj和obj_to_index函数
小块编号到小块的虚拟地址的转换由index_to_obj实现，小块的虚拟地址到小块编号由obj_to_index实现，这两个函数都在mm/slab.c中实现，代码如下：
532 static inline void *index_to_obj(structkmem_cache *cache, struct slab *slab,
533 unsigned intidx)
534{
535 return slab->s_mem + cache->buffer_size * idx;
536}
537
538/*
539 *We want to avoid an expensive divide : (offset / cache->buffer_size)
540 * Using the fact thatbuffer_size is a constant for a particular cache,
541 * we can replace (offset /cache->buffer_size) by
542 * reciprocal_divide(offset,cache->reciprocal_buffer_size)
543 */
544static inline unsigned int obj_to_index(const struct kmem_cache *cache,
545 conststruct slab *slab, void *obj)
546{
547 u32 offset = (obj - slab->s_mem);
548 return reciprocal_divide(offset, cache->reciprocal_buffer_size);
549}
编号和地址的转换需要小块的长度信息，slab缓存中小块的长度保存在structkmem_cache的成员buffer_size中。index_to_obj比较简单，下面只说说obj_to_index
reciprocal_buffer_size的计算方法在mm/slab.c中的kmem_cache_init中
1563 cache_cache.reciprocal_buffer_size =
1564 reciprocal_value(cache_cache.buffer_size);
reciprocal_value的代码中lib/reciprocal_div.c中，如下：
5u32 reciprocal_value(u32 k)
6 {
7 u64 val = (1LL <<32) + (k - 1);
8 do_div(val, k);
9 return (u32)val;
10 }
reciprocal_divide的代码在include/linux/reciprocal_div.h中，如下
28 static inline u32 reciprocal_divide(u32A, u32 R)
29 {
30 return (u32)(((u64)A * R) >> 32);
31 }
综合起来obj_to_index的计算公式就是(((2^32+(buffer_size-1))/buffer_size)* offset)/2^32
由(((2^32+(buffer_size-1))/ buffer_size)* offset)/2^32 <= (((2^32+(buffer_size-1)) * offset)/ buffer_size)/2^32 == (((2^32+(buffer_size-1)) * offset) /2^32) / buffer_size ==( (2^32 * offset + (buffer_size-1) * offset) / 2^32)/ buffer_size= (2^32 * offset) / 2^32 / buffer_size = offset/ buffer_size,这样就得到了(((2^32+(buffer_size-1))/ buffer_size)* offset)/2^32 <= offset/ buffer_size,这个推导使用了条件(buffer_size-1) * offset < 2^32
另外有offset/ buffer_size <= (((2^32+(buffer_size-1))/ buffer_size)* offset)/2^32
只要offset * 2^32 <= ((2^32+(buffer_size-1))/buffer_size)* offset) * buffer_size
只要offset * 2^32 <= ((2^32+(buffer_size-1))/buffer_size)* buffer_size) * offset
只要2^32 <= ((2^32+(buffer_size-1))/buffer_size)* buffer_size)，这个条件总是满足的，所以offset/buffer_size <= (((2^32+(buffer_size-1))/ buffer_size)*offset)/2^32也成立。
这样我们得到了offset/ buffer_size == (((2^32+(buffer_size-1))/ buffer_size)* offset)/2^32
正如obj_to_index所注释的，obj_to_index的计算结果是offset/ buffer_size，这样实现只是为了避免使用除法，因为除法指令执行比较慢。slab_get_obj和slab_put_obj函数
从slab块分配对象的函数是slab_get_obj，在mm/slab.c中实现，代码如下：
2866static void *slab_get_obj(struct kmem_cache *cachep, struct slab *slabp,
2867 int nodeid)
2868 {
2869 void *objp = index_to_obj(cachep, slabp, slabp->free);
2870 kmem_bufctl_t next;
2871
2872 slabp->inuse++;
2873 next = slab_bufctl(slabp)[slabp->free];
2874 #if DEBUG
2875 slab_bufctl(slabp)[slabp->free] = BUFCTL_FREE;
2876 WARN_ON(slabp->nodeid != nodeid);
2877 #endif
2878 slabp->free = next;
2879
2880 return objp;
2881 }
2869行获得空闲编号链表头的指针，2872行更新使用的分配出去的对象计数，2873行获得下一个空闲编号，2878把下一个空闲编号作为链表头保存起来。
释放小块内存到slab块的函数是slab_put_obj，在mm/slab.c中实现，代码如下：slab_put_obj 函数
2883 static void slab_put_obj(structkmem_cache *cachep, struct slab *slabp,
2884 void *objp,int nodeid)
2885 {
2886 unsigned int objnr = obj_to_index(cachep, slabp, objp);
2887
2888 #if DEBUG
2889 /* Verify that the slab belongs to the intended node */
2890 WARN_ON(slabp->nodeid != nodeid);
2891
2892 if (slab_bufctl(slabp)[objnr] + 1 <= SLAB_LIMIT + 1) {
2893 printk(KERN_ERR "slab:double free detected in cache "
2894 "'%s',objp %p\n", cachep->name, objp);
2895 BUG();
2896 }
2897 #endif
2898 slab_bufctl(slabp)[objnr] = slabp->free;
2899 slabp->free = objnr;
2900 slabp->inuse--;
2901 }
2886行求得编号，2898-2899行把新的编号作为链表头，并行链表头的项指向以前的链表头，2900减少对象使用计算。cache_init_objs函数
Slab块的空闲编号链表的初始化函数是cache_init_objs，在mm/slab.c中实现，代码如下：
2809static void cache_init_objs(struct kmem_cache *cachep,
2810 struct slab*slabp)
2811 {
2812 int i;
2813
2814 for (i = 0; i < cachep->num; i++) {
2815 void *objp =index_to_obj(cachep, slabp, i);
2816 #if DEBUG
2817 /* need to poison the objs? */
2818 if (cachep->flags &SLAB_POISON)
2819 poison_obj(cachep,objp, POISON_FREE);
2820 if (cachep->flags& SLAB_STORE_USER)
2821 *dbg_userword(cachep,objp) = NULL;
2822
2823 if (cachep->flags &SLAB_RED_ZONE) {
2824 *dbg_redzone1(cachep,objp) = RED_INACTIVE;
2825 *dbg_redzone2(cachep,objp) = RED_INACTIVE;
2826 }
2827 /*
2828 * Constructors are notallowed to allocate memory from the same
2829 * cache which they are aconstructor for. Otherwise, deadlock.
2830 * They must also be threaded.
2831 */
2832 if (cachep->ctor &&!(cachep->flags & SLAB_POISON))
2833 cachep->ctor(objp +obj_offset(cachep));
2834
2835 if (cachep->flags &SLAB_RED_ZONE) {
2836 if(*dbg_redzone2(cachep, objp) != RED_INACTIVE)
2837 slab_error(cachep, "constructor overwrote the"
2838 " end of an object");
2839 if(*dbg_redzone1(cachep, objp) != RED_INACTIVE)
2840 slab_error(cachep, "constructor overwrote the"
2841 " start of an object");
2842 }
2843 if ((cachep->buffer_size %PAGE_SIZE) == 0 &&
2844 OFF_SLAB(cachep)&& cachep->flags & SLAB_POISON)
2845 kernel_map_pages(virt_to_page(objp),
2846 cachep->buffer_size/ PAGE_SIZE, 0);
2847 #else
2848 if (cachep->ctor)
2849 cachep->ctor(objp);
2850 #endif
2851 slab_bufctl(slabp)[i] = i + 1;
2852 }
2853 slab_bufctl(slabp)[i - 1] = BUFCTL_END;
2854 }
如果不考虑DEBUG宏，cache_init_objs函数初始化空闲编号链表，并调用了对象的构造函数。转载请注明来源，欢迎对文章中的引用来源进行考证，欢迎指出任何有错误或不够清晰的表达。可以在下面评论区评论，也可以邮件至 ancjf@163.com
文章标题:linux 源代码分析7:Slab块的管理
本文作者:ancjf
发布时间:2013-06-05, 20:56:05
最后更新:2020-04-18, 15:57:47
原始链接:http://ancjf.com/2013/06/05/linux-3-4-10-%E5%86%85%E6%A0%B8%E5%86%85%E5%AD%98%E7%AE%A1%E7%90%86%E6%BA%90%E4%BB%A3%E7%A0%81%E5%88%86%E6%9E%907-Slab%E5%9D%97%E7%9A%84%E7%AE%A1%E7%90%86/版权声明: "署名-非商用-相同方式共享 4.0" 转载请保留原文链接及作者。
