Linux slab 分配器剖析(2)

现在来看一下能够创建新 slab 缓存、向缓存中增加内存、销毁缓存的应用程序接口(API)以及 slab 中对对象进行分配和释放操作的函数。

第一个步骤是创建 slab 缓存结构,您可以将其静态创建为:

struct struct kmem_cache *my_cachep;  

然后其他 slab 缓存函数将使用该引用进行创建、删除、分配等操作。kmem_cache 结构包含了每个中央处理器单元(CPU)的数据、一组可调整的(可以通过 proc 文件系统访问)参数、统计信息和管理 slab 缓存所必须的元素。

kmem_cache_create

内核函数 kmem_cache_create 用来创建一个新缓存。这通常是在内核初始化时执行的,或者在首次加载内核模块时执行。其原型定义如下:

struct kmem_cache * kmem_cache_create( const char *name, size_t size, size_t align, unsigned long flags; void (*ctor)(void*, struct kmem_cache *, unsigned long), void (*dtor)(void*, struct kmem_cache *, unsigned long));  

name 参数定义了缓存名称,proc 文件系统(在 /proc/slabinfo 中)使用它标识这个缓存。 size 参数指定了为这个缓存创建的对象的大小, align 参数定义了每个对象必需的对齐。 flags 参数指定了为缓存启用的选项。这些标志如表 1 所示。


表 1. kmem_cache_create 的部分选项(在 flags 参数中指定)
选项 说明
SLAB_RED_ZONE 在对象头、尾插入标志,用来支持对缓冲区溢出的检查。  
SLAB_POISON 使用一种己知模式填充 slab,允许对缓存中的对象进行监视(对象属对象所有,不过可以在外部进行修改)。  
SLAB_HWCACHE_ALIGN 指定缓存对象必须与硬件缓存行对齐。  

ctor 和 dtor 参数定义了一个可选的对象构造器和析构器。构造器和析构器是用户提供的回调函数。当从缓存中分配新对象时,可以通过构造器进行初始化。

在创建缓存之后, kmem_cache_create 函数会返回对它的引用。注意这个函数并没有向缓存分配任何内存。相反,在试图从缓存(最初为空)分配对象时,refill 操作将内存分配给它。当所有对象都被使用掉时,也可以通过相同的操作向缓存添加内存。

kmem_cache_destroy

内核函数 kmem_cache_destroy 用来销毁缓存。这个调用是由内核模块在被卸载时执行的。在调用这个函数时,缓存必须为空。

void kmem_cache_destroy( struct kmem_cache *cachep );  

kmem_cache_alloc

要从一个命名的缓存中分配一个对象,可以使用 kmem_cache_alloc 函数。调用者提供了从中分配对象的缓存以及一组标志:

void kmem_cache_alloc( struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags );  

这个函数从缓存中返回一个对象。注意如果缓存目前为空,那么这个函数就会调用 cache_alloc_refill 向缓存中增加内存。 kmem_cache_alloc 的 flags 选项与 kmalloc 的 flags 选项相同。表 2 给出了标志选项的部分列表。


表 2. kmem_cache_alloc 和 kmalloc 内核函数的标志选项
标志 说明
GFP_USER 为用户分配内存(这个调用可能会睡眠)。  
GFP_KERNEL 从内核 RAM 中分配内存(这个调用可能会睡眠)。  
GFP_ATOMIC 使该调用强制处于非睡眠状态(对中断处理程序非常有用)。  
GFP_HIGHUSER 从高端内存中分配内存。  

kmem_cache_zalloc

内核函数 kmem_cache_zalloc 与 kmem_cache_alloc 类似,只不过它对对象执行 memset 操作,用来在将对象返回调用者之前对其进行清除操作。

kmem_cache_free

要将一个对象释放回 slab,可以使用 kmem_cache_free。调用者提供了缓存引用和要释放的对象。

void kmem_cache_free( struct kmem_cache *cachep, void *objp );  

kmalloc 和 kfree

内核中最常用的内存管理函数是 kmalloc 和 kfree 函数。这两个函数的原型如下:

void *kmalloc( size_t size, int flags ); void kfree( const void *objp );  

注意在 kmalloc 中,惟一两个参数是要分配的对象的大小和一组标志(请参看 中的部分列表)。但是 kmalloc 和 kfree 使用了类似于前面定义的函数的 slab 缓存。kmalloc 没有为要从中分配对象的某个 slab 缓存命名,而是循环遍历可用缓存来查找可以满足大小限制的缓存。找到之后,就(使用 __kmem_cache_alloc)分配一个对象。要使用 kfree 释放对象,从中分配对象的缓存可以通过调用 virt_to_cache 确定。这个函数会返回一个缓存引用,然后在 __cache_free 调用中使用该引用释放对象。

其他函数

slab 缓存 API 还提供了其他一些非常有用的函数。 kmem_cache_size 函数会返回这个缓存所管理的对象的大小。您也可以通过调用 kmem_cache_name 来检索给定缓存的名称(在创建缓存时定义)。缓存可以通过释放其中的空闲 slab 进行收缩。这可以通过调用 kmem_cache_shrink 实现。注意这个操作(称为回收)是由内核定期自动执行的(通过 kswapd)。

unsigned int kmem_cache_size( struct kmem_cache *cachep ); const char *kmem_cache_name( struct kmem_cache *cachep ); int kmem_cache_shrink( struct kmem_cache *cachep );  

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