3. Slab 分配器：Slab/Slub/Slob 区别、对象缓存、kmem_cache

Slab 分配器是 Linux 内核中用于管理小对象（通常小于一页）内存分配与释放的核心机制。它通过缓存已初始化的对象来避免频繁的创建与销毁开销，是内核性能优化的关键组件。本章将深入剖析三种主流实现（Slab、Slub、Slob）的差异、对象缓存的工作原理以及 kmem_cache 的编程接口。

3.1 为什么需要 Slab 分配器？

内核中频繁分配和释放的小对象（如 task_struct、inode、dentry）如果直接使用伙伴系统（Buddy System）按页分配，会产生严重的内部碎片和性能瓶颈。Slab 分配器专为此场景设计，其核心优势包括：

• 对象缓存：复用已分配但未使用的对象，减少初始化开销。
• 硬件缓存友好：通过着色（Coloring）技术使对象在 CPU Cache 中均匀分布，减少 Cache Miss。
• 碎片控制：按固定大小管理内存，避免外部碎片。

3.2 三种实现：Slab / Slub / Slob

Linux 内核根据系统规模和硬件能力提供了三种 Slab 分配器实现。下表从设计目标、内存开销、适用场景等维度进行对比：

3.3 Slab 分配器核心架构

下图展示了 Slab 分配器的三层架构：kmem_cache 管理特定大小的对象池，每个 Cache 包含多个 Slab（物理连续页），每个 Slab 被划分为多个等大小的对象。

3.4 对象缓存与 kmem_cache 接口

kmem_cache 是 Slab 分配器的核心数据结构，每个 Cache 对应一种对象类型。内核模块可以通过以下 API 创建和使用自定义对象缓存：

// 1. 创建 kmem_cache
struct kmem_cache *cache = kmem_cache_create(
    "my_object_cache",      // 名称（/proc/slabinfo 中可见）
    sizeof(struct my_obj),  // 对象大小
    0,                      // 对齐（0 表示自然对齐）
    SLAB_HWCACHE_ALIGN,     // 标志（硬件缓存对齐）
    NULL                    // 构造函数（通常为 NULL）
);

// 2. 分配对象
struct my_obj *obj = kmem_cache_alloc(cache, GFP_KERNEL);

// 3. 释放对象
kmem_cache_free(cache, obj);

// 4. 销毁 Cache
kmem_cache_destroy(cache);

3.5 查看 Slab 使用情况

系统管理员可以通过以下文件实时监控 Slab 分配器的状态：

3.6 Slub 分配器的工作流程

以默认的 Slub 分配器为例，对象分配与释放的完整流程如下：

1. 分配请求：调用 kmem_cache_alloc()，传入 Cache 指针和 GFP 标志。
2. 本地 CPU 快速路径：检查当前 CPU 的 freelist（空闲对象链表），若有空闲对象则直接返回，无锁操作。
3. Slab 慢速路径：若本地 freelist 为空，从 partial 链表中获取一个部分空闲的 Slab，将其 freelist 挂到当前 CPU。
4. 伙伴系统介入：若所有 Slab 都已满，从伙伴系统分配新页（通常为 2^order 页），创建新 Slab 并加入 Cache。
5. 释放对象：对象释放时，若 Slab 变为全空且系统内存紧张，Slub 会直接归还页给伙伴系统，减少内存占用。

3.7 性能对比与选择建议

在实际生产环境中，选择哪种 Slab 分配器需要根据工作负载特征决定：

• NUMA 大型服务器：传统 Slab 的着色特性可减少跨 Node 内存访问，适合数据库、HPC 场景。
• 通用云服务器：Slub 的简化设计降低了锁竞争，在多数 Web/微服务场景中表现更优。
• 嵌入式/IoT 设备：Slob 的极低元数据开销（约 2-5% 内存节省）对 64MB 以下系统意义重大。