操作系统中的内存管理：slab分配器详解

知识点描述
slab分配器是操作系统内核中用于管理内核对象内存分配的一种高效机制。它通过预分配和缓存特定大小的内存对象（称为"slab"），来解决内核频繁申请和释放小块内存时产生的内部碎片和性能开销问题。slab分配器的核心思想是"对象缓存"，即针对常用数据结构（如进程描述符、文件对象等）预先创建一组空闲对象池，从而避免频繁调用底层页分配器。

详细讲解

1. 问题背景：内核内存分配的挑战

• 内核运行时需要频繁创建和销毁小型数据结构（如task_struct, inode等）
• 直接使用通用内存分配器（如伙伴系统）会导致问题：
  • 内部碎片：伙伴系统按页（如4KB）分配，但对象可能只有几百字节
  • 初始化开销：每次分配后需初始化对象，释放后需清理
  • 缓存不友好：频繁分配释放可能导致缓存抖动

2. slab分配器的基本组成
slab分配器采用三级结构：

缓存（cache） → slab → 对象（object）

• 缓存（cache）：每个缓存专门管理一种内核对象（如task_struct缓存）
• slab：每个slab是由一个或多个连续物理页组成的内存块，被划分为多个等大的对象
• 对象（object）：实际分配的内存单元，大小固定且与目标数据结构对齐

3. slab的三种状态
每个slab处于以下状态之一：

• 满（full）：所有对象都被分配
• 空（empty）：所有对象都空闲
• 部分满（partial）：部分对象已分配

4. 分配流程详解
当内核请求分配一个对象时：

1. 查找缓存：根据对象类型找到对应的缓存（如kmalloc-128缓存）
2. 检查部分满slab：
   • 优先从部分满slab中分配空闲对象
   • 若存在空闲对象，直接标记为已使用并返回地址
3. 检查空slab：
   • 若无部分满slab，则从空slab链表取一个slab
   • 将其转移到部分满链表，并分配对象
4. 申请新slab：
   • 若无可用的空slab，向伙伴系统申请新内存页创建slab
   • 初始化新slab的所有对象，将其加入空链表后分配

5. 释放流程详解
释放对象时：

1. 标记空闲：将对象标记为空闲状态
2. 更新slab状态：
   • 若slab从满变为部分满：将其从满链表移到部分满链表
   • 若slab从部分满变为空：将其移到空链表
3. 释放空slab（可选）：
   • 当空slab数量超过阈值时，将部分空slab的内存返还给伙伴系统

6. 优势与优化

• 减少碎片：对象大小固定，避免内部碎片
• 提升速度：
  • 预初始化对象，分配时直接使用
  • 局部性原理：同类型对象集中存储，提高缓存命中率
• 内存回收：通过空slab回收机制避免长期占用过多内存

7. 实际应用示例
Linux内核中的slab分配器有三种变体：

• SLAB：原始实现，维护三个链表（满/部分满/空）
• SLUB：简化版，减少元数据开销，适用于大型系统
• SLOB：极简版，适用于内存受限的嵌入式系统

通过这种设计，slab分配器显著优化了内核内存管理的效率和资源利用率。