3. Slab分配器数据结构：kmem_cache、slab、object描述符的详细设计

Slab分配器的核心在于三层数据结构的协同设计：缓存描述符（kmem_cache）、Slab块描述符（slab）以及对象描述符（object）。这三层结构从全局管理到物理页帧，再到单个对象，构成了一个完整的对象缓存体系。理解它们的内存布局与指针关系，是掌握Slab分配器实现的关键。

3.1 kmem_cache：缓存管理的大脑

每个 kmem_cache 实例管理一种特定大小的对象类型。它包含了创建、销毁、统计以及链表管理等全部元数据。

3.2 slab 描述符：连接页帧与对象的桥梁

每个 slab 描述符代表一个或多个连续的物理页帧。它记录了该 slab 中所有对象的状态，以及指向空闲对象链表的指针。

struct slab {
    struct list_head   list;          // 挂入 kmem_cache 的 full/partial/free 链表
    unsigned long      colouroff;     // slab 内的着色偏移（缓存行着色优化）
    void              *s_mem;         // 第一个对象的起始虚拟地址
    unsigned int       inuse;         // 当前已分配的对象数量
    unsigned int       free;          // 空闲对象链表的头索引（或指针）
    unsigned short     nodeid;        // NUMA 节点 ID
};

slab 描述符的存放位置有两种经典模式：

• On-slab（内置模式）： 描述符存放在 slab 自身占用的物理页帧内部，紧跟在对象数据区之后或之前。节省内存，但描述符大小受限于页内剩余空间。
• Off-slab（外置模式）： 描述符从独立的 kmem_cache（slabp_cache）中分配。适用于对象尺寸极小（如 32 字节）的场景，避免描述符浪费过多页内空间。

3.3 object 描述符与空闲链表

Slab 分配器不维护每个对象的独立描述符结构，而是利用对象自身的内存空间构建一个隐式空闲链表。这是其高效的关键设计。

每个空闲对象的前几个字节（通常 4 或 8 字节，取决于指针宽度）被复用为 next 指针，指向下一个空闲对象。分配时从 slab->free 取出头节点，释放时将对象重新链入头部。

// 空闲链表指针复用对象内存
struct freelist_node {
    struct freelist_node *next;
};

// 分配操作伪代码
void *slab_alloc(struct slab *slab) {
    struct freelist_node *node = (struct freelist_node *)slab->free;
    if (!node) return NULL;  // 无空闲对象
    
    slab->free = (unsigned long)node->next;
    slab->inuse++;
    return (void *)node;
}

// 释放操作伪代码
void slab_free(struct slab *slab, void *obj) {
    struct freelist_node *node = (struct freelist_node *)obj;
    node->next = (struct freelist_node *)slab->free;
    slab->free = (unsigned long)node;
    slab->inuse--;
}

3.4 三层数据结构的关系总览

将 kmem_cache、slab 和 object 组合在一起，形成完整的层级关系：

1. kmem_cache 通过三个链表（full / partial / free）管理所有 slab。
2. 每个 slab 通过 s_mem 指向连续页帧内的对象区起始地址。
3. 每个 object 在空闲时通过自身内存构建单向链表，slab 的 free 字段指向链表头。
4. 分配器通过 kmem_cache_alloc() 从 partial 链表的 slab 中取出对象，若 partial 为空则从 free 链表获取 slab 并初始化。

3.5 关键设计指标与性能约束