Slab 分配机制

为什么需要 Slab 分配器？

在操作系统内核中，有大量频繁创建和销毁的小对象：进程描述符（task_struct）、文件描述符、网络 socket、dentry 缓存等。如果每次都直接调用页分配器（Buddy System）获取内存，会带来三个严重问题：

三级架构：Cache → Slab → Object

Slab 分配器采用三级层次结构，自顶向下依次为：

三种 Slab 状态

每个 Slab（由连续物理页组成）始终处于以下三种状态之一：

分配与回收的完整流程

交互式 Slab 分配演示

下面是一个简化的 Slab 分配器模拟器。你可以亲自体验对象的分配和释放过程。

关键数据结构

理解 Slab 的核心在于掌握三个数据结构之间的关系：

// Linux 内核中的核心结构体（简化版）

struct kmem_cache {
    const char        *name;        // Cache 名称，如 "task_struct"
    unsigned int        object_size;  // 单个对象的大小
    unsigned int        size;        // 含对齐填充后的实际大小
    unsigned int        order;        // 从伙伴系统申请的页框阶数
    unsigned int        num;         // 每个 Slab 可容纳的对象数
    void                (*ctor)(void *);  // 对象构造函数
    void                (*dtor)(void *);  // 对象析构函数
    struct list_head    partial;     // Partial Slab 双向链表
    struct list_head    full;        // Full Slab 双向链表
    struct list_head    empty;       // Empty Slab 双向链表
    unsigned int        gfporder;    // 分配标志
};

struct slab {
    struct list_head    list;        // 链表节点（挂在 cache 的某个链表上）
    unsigned int        inuse;       // 已使用的对象数量
    unsigned int        free;        // 空闲对象数量
    void               *s_mem;       // 指向第一个对象的指针
    void               **freelist;   // 空闲对象指针数组
};
    

对象大小对齐与 Slab 着色

为了提高 CPU 缓存命中率，Slab 分配器引入了着色（coloring）机制：

与其他分配器的对比

SLAB vs SLUB vs SLOB

Linux 内核中实际上有三种 Slab 分配器的实现：

内核中的实际使用

// 1. 创建一个新的 Slab Cache
struct kmem_cache *task_struct_cachep;

task_struct_cachep = kmem_cache_create(
    "task_struct",      // Cache 名称
    sizeof(struct task_struct), // 对象大小
    ARCH_MIN_TASKALIGN,  // 对齐要求
    SLAB_PANIC | SLAB_NOTRACK, // 标志位
    NULL                // 构造函数（可选）
);

// 2. 从 Cache 中分配一个对象
struct task_struct *task;
task = kmem_cache_alloc(task_struct_cachep, GFP_KERNEL);

// 3. 使用完毕后释放
kmem_cache_free(task_struct_cachep, task);

// 4. 通用分配（kmalloc 底层使用 Slab）
void *buf = kmalloc(256, GFP_KERNEL);
kfree(buf);
    

如何查看内核中的 Slab 信息

// 在 Linux 系统中，可以通过以下方式查看

// 方式 1：查看 /proc/slabinfo
$ cat /proc/slabinfo
slabinfo - version: 2.1
# name            <active_objs>  <num_objs>  <objsize>  ...
task_struct          512       640      1792  ...    1    8 : tunables ...

// 方式 2：使用 slabtop 命令（实时监控）
$ slabtop

// 方式 3：查看 /sys/kernel/slab/（SLUB 特有）
$ ls /sys/kernel/slab/task_struct/
aliases      align       object_size  order  partial ...
    

核心要点回顾