2. slab 分配器核心概念

slab 分配器是 Linux 内核中用于管理小对象（通常小于一页）的高效内存分配机制。其核心设计围绕四个关键概念展开：对象缓存 (object cache)、slab 缓存行、着色 (coloring) 和 每 CPU 缓存 (per-CPU cache)。理解这些概念是掌握 slab 及其后继者 slub 分配器的基础。

2.1 对象缓存 (Object Cache)

对象缓存是 slab 分配器最上层的抽象。内核中频繁创建和销毁的同类型数据结构（如 task_struct、inode、dentry）会对应一个专属的缓存。缓存负责管理该类型对象的分配、释放和复用，避免了频繁调用底层页分配器（如 buddy system）带来的性能开销。

每个缓存由 struct kmem_cache 结构体描述，主要包含以下关键字段：

下图展示了对象缓存、slab 和对象之间的层次关系：

2.2 Slab 缓存行

slab 是对象缓存的基本存储单元。一个 slab 由一个或多个连续的物理页面组成（通常为 2^gfporder 页）。slab 被划分为多个大小相等的对象槽位，每个槽位可以存放一个缓存对象。slab 分配器通过管理 slab 的三种状态（满、部分、空闲）来高效地分配和回收对象。

slab 的内部布局包含三个主要部分：

1. Slab 头部描述符：存储 slab 的元数据，如所属缓存、对象数量、空闲对象链表指针等。对于小对象，头部可能存储在 slab 内部；对于大对象，头部可能存储在 slab 外部。
2. 对象数组：连续的、大小相等的对象存储区域。
3. 着色区域 (Coloring Area)：用于调整对象起始偏移，优化缓存行对齐（详见 2.3 节）。

下图展示了一个典型 slab 的内部布局：

2.3 着色 (Coloring)

着色是 slab 分配器为了优化 CPU 硬件缓存（L1/L2/L3 Cache）利用率而引入的一种技术。当多个 slab 中的对象映射到相同的 CPU 缓存行时，会导致缓存行冲突，降低缓存命中率。

着色原理： 在每个 slab 的起始位置（头部描述符之后）插入一个大小可变的偏移量（称为“颜色”）。这个偏移量使得不同 slab 中相同索引的对象起始地址在物理内存中错开，从而映射到不同的 CPU 缓存行集合，减少冲突。

着色过程的核心步骤：

• 计算颜色范围： 根据 slab 大小、对象大小和硬件缓存行大小，计算出可用的颜色数量。
• 分配颜色： 每次创建新 slab 时，分配器选择一个颜色值（通常递增循环），作为该 slab 的起始偏移。
• 设置偏移： 在 slab 头部描述符中记录该颜色值，并据此计算第一个对象的起始地址。

下图展示了着色如何影响不同 slab 中对象的缓存行映射：

2.4 每 CPU 缓存 (Per-CPU Cache)

为了进一步减少多核系统中的锁竞争和内存访问延迟，slab 分配器为每个 CPU 维护了一个本地对象缓存（struct array_cache）。当内核在当前 CPU 上分配对象时，优先从该 CPU 的本地缓存中获取，无需获取全局 slab 链表的锁。

每 CPU 缓存的工作流程：

1. 分配 (alloc)： 检查当前 CPU 的本地缓存是否为空。如果不为空，直接从本地缓存中弹出一个对象返回。
2. 释放 (free)： 将对象归还到当前 CPU 的本地缓存中。如果本地缓存已满，则将本地缓存中的一批对象批量归还到全局 slab 链表中。
3. 缓存刷新 (flush)： 当 CPU 间负载均衡或内存压力大时，系统会刷新每 CPU 缓存，将对象归还给全局 slab。

每 CPU 缓存的结构体定义如下：

struct array_cache {
    unsigned int avail;      // 当前可用对象数量
    unsigned int limit;      // 缓存容量上限
    unsigned int batchcount; // 批量传输的对象数量
    unsigned int touched;    // 是否被访问过（用于缓存收缩决策）
    void *entry[];           // 对象指针数组（变长）
};

下表总结了每 CPU 缓存的关键参数及其作用：

下图展示了每 CPU 缓存与全局 slab 之间的交互流程：

2.5 核心概念总结

下表对 slab 分配器的四个核心概念进行了总结对比：