2. Slab分配器核心数据结构

Slab分配器是Linux内核中管理小对象内存的核心机制，其设计围绕一组精确定义的数据结构展开。理解这些数据结构是掌握Slab调试与性能调优的基础。本章将逐一剖析kmem_cache、slab、object、page描述符、着色偏移量以及每CPU数组（array_cache）的作用、字段与相互关系。

2.1 数据结构全景图

下图展示了Slab分配器核心数据结构之间的层次关系与协作流程：

2.2 kmem_cache —— 缓存描述符

kmem_cache 是Slab分配器的顶层管理结构，每个结构体描述一种特定大小对象的缓存池。内核通过 kmem_cache_create() 创建，通过 kmem_cache_destroy() 销毁。

2.3 slab —— 物理内存载体

slab 是 kmem_cache 管理的物理连续内存块，通常由 1 个或多个物理页面组成。slab 描述符（struct slab）记录了该 slab 的元数据。

struct slab {
    struct list_head slab_list;   // 挂入 kmem_cache 的 slabs_full/partial/free 链表
    unsigned long __page_flags;   // 页面标志（复用 struct page 的部分字段）
    unsigned int units;           // 对象数量（等于 kmem_cache->num）
    atomic_t __page_refcount;     // 引用计数
    unsigned long __page_memcg;   // 内存控制组信息
    unsigned int __page_type;     // 页面类型标记
    unsigned long __page_head;    // 复合页头部指针
    void *s_mem;                  // slab 中第一个对象的起始虚拟地址
    unsigned int active;          // 已分配的对象数量
    unsigned int free;            // 空闲对象数量
    unsigned int __page_offset;   // 着色偏移量（字节）
};

slab 描述符可以存放在 slab 内部（内部描述符）或 slab 外部（外部描述符），由 CFLGS_OFF_SLAB 标志决定：

• 内部描述符： slab 描述符存放在 slab 的起始位置，对象紧随其后。适用于对象较大的缓存。
• 外部描述符： slab 描述符从独立的 slabp_cache 分配，slab 页面全部用于存放对象。适用于对象较小的缓存（如 < 256 字节）。

2.4 object —— 分配单元

object 是 Slab 分配器向调用者返回的最小内存单元。每个 object 的大小由 kmem_cache->object_size 决定，但实际占用的空间可能因对齐和着色而略有增加。

object 在 slab 内的布局遵循以下规则：

1. 第一个 object 的起始地址 = slab->s_mem。
2. 后续 object 的地址 = 前一个 object 地址 + kmem_cache->object_size（经对齐调整）。
3. 空闲 object 通过 freelist 链表串联，freelist 指针存放在 object 内部（前 4/8 字节）或独立的 freelist 数组中。

2.5 page描述符 —— 底层映射

Linux 内核使用 struct page 描述每个物理页面。Slab 分配器复用了 struct page 的部分字段来管理 slab 元数据，从而避免额外的内存开销。

当 PG_slab 标志被设置时，内核的内存管理子系统知道该页面由 Slab 分配器控制，不应被页回收或移动。调试时可通过 cat /proc/pagetypeinfo 观察 slab 页面的分布。

2.6 着色偏移量 —— CPU缓存优化

着色（Coloring）是 Slab 分配器的一项关键优化技术，旨在减少 CPU 缓存行冲突。其核心思想是：同一个 kmem_cache 的不同 slab，其内部对象的起始地址相对于页面起始的偏移量不同。

着色参数由 kmem_cache 的以下字段控制：

• colour_off： 每次偏移的字节数，通常等于 CPU 缓存行大小（64 字节）或 object_size 的对齐值。
• colour： 最大偏移次数，即 colour_off × colour 不应超过一个 slab 内可用于偏移的空间。
• 实际偏移量： 每个 slab 创建时，从 0 到 colour-1 循环选取一个偏移序号，乘以 colour_off 得到该 slab 的起始偏移。

2.7 每CPU数组（array_cache）

每CPU数组（struct array_cache）是 Slab 分配器实现无锁分配/释放的关键组件。每个 CPU 核心拥有一个独立的 array_cache，用于缓存最近释放的对象，从而避免在分配/释放时获取全局 slab 链表锁。

struct array_cache {
    unsigned int avail;       // 当前可用对象数量
    unsigned int limit;       // 数组容量上限
    unsigned int batchcount;  // 批量转移对象数量
    unsigned int touched;     // 是否被访问过的标志
    spinlock_t lock;          // 自旋锁（用于 NUMA 节点间共享时）
    void *entry[];            // 变长数组，存放对象指针
};

分配与释放的快速路径如下：

2.8 数据结构协作总结

下表总结了各数据结构在分配生命周期中的角色：