3. 核心数据结构

slab 分配器的核心在于三个抽象层次：高速缓存描述符（kmem_cache）、slab 描述符（slab）和对象（object）。三者构成了从“类型管理”到“物理页框”再到“具体内存单元”的完整链路。理解它们之间的关系，是掌握 slab 分配器运作机制的第一步。

3.1 三层结构总览

下图展示了 kmem_cache、slab 和 object 之间的层次关系与核心字段映射：

kmem_cache、slab、object 三层结构关系图 kmem_cache（高速缓存描述符） struct kmem_cache { const char *name; // 缓存名称，如 "task_struct" unsigned int object_size; // 对象大小（字节） unsigned int gfporder; // 每个 slab 占用的页框阶数 unsigned int num; // 每个 slab 可容纳对象数 unsigned int offset; // 对象在 slab 内的偏移 struct list_head slabs_full; // 完全用尽的 slab 链表 struct list_head slabs_partial; // 部分空闲的 slab 链表 struct list_head slabs_free; // 完全空闲的 slab 链表 struct kmem_cache *slabp_cache; // slab 描述符自身缓存 void (*ctor)(void *obj); // 对象构造函数 gfp_t gfpflags; // 底层页框分配标志 }; slabs_partial / slabs_free 链表 slab（slab 描述符） struct slab { struct list_head slab_list; // 挂入 kmem_cache 的链表节点 unsigned long colouroff; // 着色偏移（缓存行对齐） void *s_mem; // 对象区起始虚拟地址 unsigned int inuse; // 已分配对象数量 unsigned int free; // 空闲对象数量 unsigned int active; // 活跃对象数量 void *freelist; // 空闲对象链表头 }; s_mem + offset * index object[0] | object[1] | object[2] | ... | object[num-1]
核心要点：一个 kmem_cache 管理多个 slab，每个 slab 占用连续物理页框，并将页框划分为等大小的 object。分配时优先从 slabs_partial 链表取对象，其次 slabs_free，最后创建新 slab。

3.2 高速缓存描述符（kmem_cache）字段详解

kmem_cache 是 slab 分配器最上层的管理结构，每个内核对象类型（如 task_struct、inode）对应一个独立的 kmem_cache 实例。下表列出其关键字段及作用：

字段名 类型 说明
name const char * 缓存名称，用于 /proc/slabinfo 标识和调试
object_size unsigned int 单个对象的大小（字节），包含对齐填充
gfporder unsigned int 每个 slab 占用的页框阶数（2^gfporder 个连续页框）
num unsigned int 每个 slab 中可容纳的对象总数
offset unsigned int 对象在 slab 内的起始偏移（用于着色）
slabs_full struct list_head 所有对象均已分配的 slab 链表
slabs_partial struct list_head 部分对象空闲的 slab 链表（分配首选）
slabs_free struct list_head 所有对象均空闲的 slab 链表
slabp_cache struct kmem_cache * 用于分配 slab 描述符自身的 kmem_cache（外部 slab 时使用）
ctor void (*)(void *) 对象构造函数，在分配时初始化对象
gfpflags gfp_t 底层页框分配标志（如 GFP_KERNEL）
性能提示：slabs_partial 链表是分配路径的“热区”。如果系统频繁出现 slabs_full 链表过长而 slabs_partial 为空，说明缓存对象大小设置不合理，应考虑调整 object_size 或启用 SLAB_HWCACHE_ALIGN 标志。

3.3 slab 描述符字段详解

每个 slab 描述符对应一组连续的物理页框，负责管理该页框内所有对象的分配与释放状态。slab 描述符可以存放在 slab 内部（内部 slab）或由独立缓存分配（外部 slab），取决于 slab 大小。

字段名 类型 说明
slab_list struct list_head 将 slab 挂入所属 kmem_cache 的 slabs_full/partial/free 链表
colouroff unsigned long 着色偏移量，用于将不同 slab 的对象起始地址错开缓存行，减少伪共享
s_mem void * 对象区的起始虚拟地址（即第一个对象的地址）
inuse unsigned int 当前已分配出去的对象数量
free unsigned int 当前空闲对象数量（free = num - inuse）
active unsigned int 活跃对象数量（某些场景下与 inuse 含义相同）
freelist void * 指向空闲对象链表的头指针，每个空闲对象的前 4/8 字节存储下一个空闲对象索引

3.4 对象（object）与空闲链表

对象是 slab 分配器最终返回给调用方的内存单元。每个对象的大小由 kmem_cache->object_size 决定，且通常按 sizeof(void *) 对齐。对象本身不包含元数据，其空闲状态通过隐式空闲链表管理：

  • 空闲链表指针：当对象空闲时，其前 4 字节（32 位）或 8 字节（64 位）被用作指向下一个空闲对象的指针（索引）。
  • freelist 头：slab->freelist 指向第一个空闲对象，分配时从头部取出，释放时插回头部（LIFO 行为）。
  • 无外部元数据：这种设计避免了为每个对象额外维护分配位图，节省了内存并提升了缓存局部性。
注意：空闲链表指针会覆盖对象的前几个字节，因此已分配的对象绝对不能读取其前 4/8 字节作为有效数据。这是 slab 分配器的一个隐含约束，驱动开发者必须注意。

3.5 分配与释放路径中的三者协作

下图展示了从 kmem_cache_alloc() 到最终返回对象的完整路径，以及三个数据结构如何协同工作：

slab 分配路径：kmem_cache → slab → object kmem_cache_alloc() 检查 slabs_partial 链表 取 slab->freelist 头节点 更新 freelist = next slab->inuse++ 返回对象地址 分配路径说明： 1. 优先从 slabs_partial 链表取 slab 2. 若 slabs_partial 为空，从 slabs_free 取 3. 若 slabs_free 也为空，调用 kmem_getpages() 分配新页框，初始化新 slab 4. 从 slab->freelist 取出第一个空闲对象 5. 更新 freelist 指向下一个空闲对象 6. slab->inuse 递增 7. 若 slab 变满，移入 slabs_full 链表

3.6 关键设计权衡

  • 内部 slab vs 外部 slab：当 slab 描述符较小（通常 < 512 字节）时，描述符直接存放在 slab 页框的末尾，节省一次额外分配；大 slab 则从 slabp_cache 独立分配描述符。
  • 着色（colouroff）：通过为不同 slab 的对象起始地址添加微小偏移，使对象均匀分布在不同的缓存行中，减少多核环境下的缓存行伪共享（false sharing）。
  • LIFO 空闲链表：释放的对象被插回 freelist 头部，下次分配优先返回刚释放的对象，利用 CPU 缓存的热度（temporal locality）。
实战建议：在 /proc/slabinfo 中观察 task_struct 等高频缓存的 slabs_partial 与 slabs_full 比例。若 slabs_full 占比持续超过 90%，说明对象复用率低，可考虑增大 object_size 或启用 SLAB_RECLAIM_ACCOUNT 以允许回收。
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