什么是 Slab 系统？

Slab 系统是 Linux 内核中用于管理小块内存分配的一种机制，最初由 Jeff Bonwick 在 Solaris 操作系统中提出，后来被 Linux 采纳并优化。它构建在伙伴系统之上，专门解决伙伴系统在分配小块内存（小于一页，如 4KB）时产生的内部碎片问题。

• 核心目标：

  • 高效分配和回收小对象（比如内核中的结构体，如 task_struct、inode 等）。
  • 减少内部碎片。
  • 提高分配性能，避免频繁调用伙伴系统。

• 基本概念：

  • Slab 系统将内存划分为多个 slab，每个 slab 是一块连续的内存（通常由伙伴系统分配的页面组成），专门用于存储某一类固定大小的对象。
  • 它类似于一个“对象缓存”，预先分配并切割好内存块，应用程序或内核直接从中取用。

Slab 系统的工作原理

Slab 系统通过以下几个关键组件和步骤实现内存管理：

1. 基本结构

• Cache（缓存）：
  • 每个 slab 缓存对应一种对象类型（如 kmalloc-64 用于 64 字节对象，task_struct 用于进程描述符）。
  • 缓存包含多个 slab，管理对象的分配和回收。
• Slab：
  • 一个 slab 通常是一个或多个连续页面（比如 4KB），由伙伴系统分配。
  • Slab 被切割成多个固定大小的对象（比如 64 字节、128 字节等）。
• Object（对象）：
  • Slab 中的最小分配单位，就是实际分配给调用者的内存块。

2. 三种 Slab 状态

每个 slab 根据其使用情况分为三种状态，存放在不同的链表中：

• Full（满）：所有对象都被分配出去。
• Partial（部分）：部分对象已分配，部分空闲。
• Empty（空）：所有对象都空闲，未被使用。

3. 分配过程

当内核需要分配一个小对象时（比如通过 kmalloc()）：

1. 检查对应的缓存（比如 kmalloc-64）。
2. 从缓存的 Partial 链表 中找一个有空闲对象的 slab。
3. 如果没有 Partial slab，则从 Empty 链表 取一个空的 slab，或者从伙伴系统分配一个新页面并初始化为 slab。
4. 在 slab 中标记一个空闲对象为已用，并返回其地址。

4. 释放过程

当对象被释放时（比如通过 kfree()）：

1. 找到对象所属的 slab（通过元数据或地址计算）。
2. 将对象标记为空闲。
3. 根据 slab 的状态更新链表：
   • 如果原来是 Full，变为 Partial。
   • 如果原来是 Partial，所有对象都空闲后变为 Empty。
4. 如果 Empty slab 过多，可能会归还给伙伴系统，释放页面。

5. 与伙伴系统的关系

• 伙伴系统提供大块内存（页面级别，如 4KB）。
• Slab 系统接管这些页面，将其切分为小对象，负责细粒度管理。
• 当 slab 需要更多内存时，从伙伴系统申请；当内存空闲过多时，归还给伙伴系统。

Slab 系统的设计细节

1. 对象大小

• Slab 系统为不同大小的对象维护不同的缓存。例如，Linux 中的 kmalloc 缓存包括：
  • kmalloc-32（32 字节）
  • kmalloc-64（64 字节）
  • kmalloc-128（128 字节）
  • … 依次递增到 kmalloc-8192（8KB）。
• 对象大小通常是对齐的（比如按 8 字节或 16 字节对齐），以满足硬件和性能要求。

2. 元数据管理

• 每个 slab 包含元数据，用于跟踪对象状态（已用/空闲）。
• 元数据可以存储在 slab 内部（占用部分空间）或外部（额外分配的控制块），具体取决于实现。
• Linux 的 SLUB 分配器（现代默认实现）优化了元数据管理，将其嵌入 slab 中，减少开销。

3. 缓存预热（Cache Warming）

• Slab 系统预先初始化一些 slab，确保分配请求能快速响应，避免初始化延迟。
• 例如，常用的缓存（如 kmalloc-64）会保持一定数量的 Partial 或 Empty slab。

Slab 系统如何缓解内部碎片？

• 伙伴系统的局限：
  • 伙伴系统最小单位是一个页面（通常 4KB）。请求 64 字节时，分配 4KB，浪费 4032 字节（内部碎片）。
• Slab 的解决方案：
  • Slab 从伙伴系统拿 4KB 页面，然后切分为多个 64 字节对象（假设 64 字节对齐，可能容纳 60+ 个对象，具体数量因元数据而异）。
  • 请求 64 字节时，返回一个 64 字节对象，剩余空间留给其他请求，几乎无浪费。
• 效果：
  • 内部碎片被限制在 slab 的最后一个对象或元数据开销中，通常远小于伙伴系统的碎片。

Slab 系统的演进

Linux 中的 Slab 系统经历了多次优化，形成了三种主要实现：

1. 原始 Slab（Slab Allocator）：
   • 最早的实现，功能完备但管理复杂，开销较高。
2. SLUB（Unqueued Slab Allocator）：
   • 默认实现（现代 Linux 使用），简化了设计，去掉了队列，元数据嵌入 slab，性能更高。
   • 通过减少锁和优化缓存利用率，提升了效率。
3. SLOB（Simple List of Blocks）：
   • 适用于内存极小的嵌入式系统，极简设计，但牺牲了性能和功能。

SLUB 是当前主流，因为它在性能、内存利用率和复杂性之间取得了平衡。

优点

1. 高效性：
   • 预分配和缓存机制使得小对象分配非常快，避免了频繁调用伙伴系统。
2. 减少内部碎片：
   • 将页面切分为精确的对象大小，充分利用内存。
3. 对象重用：
   • 释放的对象保留其初始化状态，重用时无需重新构造，提升性能（如内核结构体的重用）。

缺点

1. 外部碎片风险：
   • 如果某些 slab 长期处于 Partial 状态，页面无法归还给伙伴系统，可能导致内存零散。
2. 固定大小限制：
   • Slab 只适合固定大小的对象，动态大小的请求仍需其他机制（如 kmalloc 向上取整）。
3. 管理开销：
   • 需要维护缓存和 slab 的元数据，占用少量额外内存。

示例：kmalloc 的 Slab 使用

假设调用 kmalloc(100, GFP_KERNEL)：

1. kmalloc 找到最近的缓存，比如 kmalloc-128（因为 100 < 128）。
2. 检查 kmalloc-128 缓存的 Partial slab。
3. 返回一个 128 字节的对象，实际使用 100 字节，28 字节是内部碎片（但远小于 4KB）。
4. 如果缓存中没有空闲对象，从伙伴系统拿一个 4KB 页面，初始化为新的 slab。

总结

Slab 系统是 Linux 内存管理的重要补充，它通过缓存和对象化的方式，将伙伴系统的大块内存（页面）细化为小块，高效满足小内存请求。它显著减少了内部碎片，同时提升了分配性能，是内核内存管理的核心组件之一。