Linux内核 内存管理（6）字节分配机制（slab/malloc）

当在内核中需要分配几十个字节的小块内存的时候，怎么办？

1.struct kmem_cache数据结构

https://elixir.bootlin.com/linux/v6.6/source/include/linux/slab_def.h#L12

全局缓存描述符，定义对象属性，协调跨节点分配策略

cpu_cache：每个 CPU 维护的本地缓存，用于无锁快速分配 / 释放。避免多 CPU 竞争同一锁，提升并发性能。
batchcount：与全局 Slab 同步时的批量处理数量。例如，本地缓存不足时一次性从全局获取 batchcount 个对象。
limit：每个 CPU 缓存的最大对象数，超过则放回全局 Slab。
shared：用于多核系统

size：对象实际占用字节数（含对齐填充）。
reciprocal_buffer_size：用于快速除法的倒数优化值（加速计算）。
flags：控制缓存行为的标志，例如：
	SLAB_TYPESAFE_BY_RCU：启用 RCU 安全释放。
	SLAB_RECLAIM_ACCOUNT：计入内存回收统计。
num：每个 Slab 可容纳的对象数量（取决于 size 和页大小）

gfporder：分配 Slab 时请求的连续页数量（2^gfporder 页）。
	例如，gfporder=0 表示 1 页，gfporder=1 表示 2 页。
allocflags：内存分配标志（如 GFP_DMA 用于 DMA 设备内存）。
colour：Slab 着色的颜色数，用于减少缓存行冲突。
colour_off：着色的字节偏移量，错开不同 Slab 的对象地址。

node：指向各 NUMA 节点的 kmem_cache_node 数组，每个节点维护本地 Slab 链表。
	实现内存局部性优化（优先使用本地内存）。

2.struct kmem_cache_node

https://elixir.bootlin.com/linux/v6.6/source/mm/slab.h#L776

kmem_cache_node 是 NUMA 节点级的缓存描述符，每个 kmem_cache 包含多个 kmem_cache_node（每个 NUMA 节点一个）。如图就是kmem_cache里的kmem_cache_node链表

kmem_cache（全局）
  ├─ node[0] → kmem_cache_node（NUMA 节点 0）
  │    ├─ slabs_partial（部分满的 Slab 链表）
  │    ├─ slabs_full（已满的 Slab 链表）
  │    └─ slabs_free（空闲的 Slab 链表）
  ├─ node[1] → kmem_cache_node（NUMA 节点 1）
  │    └─ ...
  └─ ...

3.struct array_cache

https://elixir.bootlin.com/linux/v6.6/source/mm/slab.c#L185

用来建立本地对象缓存池，每个CPU一个，有利于：

让对象尽可能的使用同一个CPU上的cache，有利于提高效率

不需要额外的自旋锁，避免锁的争用

struct array_cache {
    unsigned int avail;      // 当前可用的对象数量
    unsigned int limit;      // 缓存的最大对象数量（实际存储在per_cpu_pages中）
    unsigned int batchcount; // 与全局Slab同步时的批量处理数量
    unsigned int touched;    // 标记是否有CPU使用过此缓存（用于内存回收）
    void *entry[];           // 对象指针数组（柔性数组成员，实际大小动态分配）
}; 

如图就是kmem_cache里的array_cache

CPU请求分配对象 ──► 检查本地array_cache（无锁）
                │
                ├─ 缓存有对象 ──► 直接分配（LIFO）
                │
                └─ 缓存为空 ──► 从当前NUMA节点的kmem_cache_node获取
                                      │
                                      ├─ 从slabs_partial分配 ──► 更新Slab状态
                                      │
                                      └─ 无可用Slab ──► 创建新Slab（从伙伴系统分配）

4.内存管理组件关系图

（加上pdf里的图）

+------------------+      +------------------+      +------------------+
|  struct kmem_cache |───►| struct per_cpu_pages |───►| struct array_cache |
| （缓存描述符）      |    | （每CPU页缓存）      |    | （每CPU对象缓存）   |
+------------------+      +------------------+      +------------------+
    │                          │                          │
    │                          │                          └─ entry[]: 对象指针数组
    │                          │
    │                          └─ cpu_slab: 指向array_cache
    │
    ├──────────────────────────► +------------------+
                               │ struct kmem_cache_node │
                               │ （NUMA节点缓存描述符）  │
                                +------------------+
                                       │
                                       ├── slabs_partial: 部分满Slab链表
                                       ├── slabs_full: 已满Slab链表
                                       └── slabs_free: 空闲Slab链表

5.kmalloc

https://elixir.bootlin.com/linux/v6.6/source/include/linux/slab.h#L590

根据所分配的尺寸大小，size大会走 kmalloc_large->__kmalloc_large_node->alloc_pages_node (页分配)

size小会走kmalloc_trace->__kmem_cache_alloc_node->slab_alloc_node(slab分配)