4. 网络栈内存分配路径：sk_buff结构、net_device、socket内核对象、协议控制块的内存来源

网络栈的内存泄漏往往源于对核心对象生命周期管理不当。本章深入剖析网络栈中四个关键内存对象——sk_buff、net_device、socket内核对象和协议控制块——的分配源头、slab缓存归属以及释放路径。理解这些对象的“出生证明”是定位泄漏的第一步。

4.1 核心对象内存来源总览

Linux内核网络栈为高频分配的对象维护了专用的slab缓存。下表总结了四个核心对象的分配函数、slab缓存名称及主要所有者：

4.2 sk_buff：网络数据的“快递盒”

sk_buff 是网络栈中最核心、分配最频繁的数据结构。每个网络数据包在协议栈中传递时，都封装在一个或多个 sk_buff 中。

4.2.1 分配路径

所有 sk_buff 的分配最终都收敛于 __alloc_skb() 函数。该函数从 skbuff_head_cache slab 缓存中分配 sk_buff 结构体本身，而数据缓冲区则根据大小从 kmalloc 或页面分配器获取。

// net/core/skbuff.c
struct sk_buff *__alloc_skb(unsigned int size, gfp_t gfp_mask,
                            int flags, int node)
{
    struct sk_buff *skb;
    // 1. 从 slab 缓存 skbuff_head_cache 分配 sk_buff 结构
    skb = kmem_cache_alloc_node(skbuff_head_cache, gfp_mask & ~__GFP_DMA, node);
    if (!skb)
        goto out;

    // 2. 分配数据缓冲区
    size = SKB_DATA_ALIGN(size);
    data = kmalloc_reserve(size, gfp_mask, node, &pfmemalloc);
    // ...
    return skb;
}

4.2.2 释放路径

kfree_skb() 和 consume_skb() 是主要的释放接口。前者用于异常路径（丢包），后者用于正常路径。两者最终都会调用 __kfree_skb()，将 sk_buff 归还给 skbuff_head_cache。

4.3 net_device：网络设备的“身份证”

struct net_device 代表一个网络设备（物理或虚拟）。它的生命周期从驱动加载开始，到设备注销结束。

4.3.1 分配与注册

驱动通过 alloc_netdev_mqs() 分配 net_device。该函数会分配一个包含 net_device 和私有数据的连续内存块。

// net/core/dev.c
struct net_device *alloc_netdev_mqs(int sizeof_priv, const char *name,
                                    void (*setup)(struct net_device *),
                                    unsigned int txqs, unsigned int rxqs)
{
    struct net_device *dev;
    size_t alloc_size;

    // 计算总大小：net_device + 私有数据 + 队列数
    alloc_size = sizeof(struct net_device) + sizeof_priv;
    // 使用 kzalloc 分配连续内存
    dev = kzalloc(alloc_size, GFP_KERNEL);
    if (!dev)
        return NULL;
    // ...
    return dev;
}

4.3.2 释放路径

设备注销时，free_netdev() 被调用。它负责释放 net_device 及其关联的所有资源（如 net_device_stats、dev_addr 等）。

4.4 socket内核对象与协议控制块

用户态创建的每个 socket，在内核中对应两个主要对象：struct socket（VFS 层抽象）和 struct sock（协议控制块）。

4.4.1 分配流程

当用户调用 socket() 系统调用时，内核执行以下分配链：

1. sock_alloc()：分配 struct socket，并关联一个 inode。该 inode 从 sock_inode_cachep slab 缓存分配。
2. sk_alloc()：分配 struct sock。对于 TCP，实际分配的是 struct tcp_sock，它从 tcp_sock slab 缓存分配。
3. 初始化：协议栈将 socket 的 sk 指针指向 sock，完成绑定。

// net/socket.c
struct socket *sock_alloc(void)
{
    struct inode *inode;
    struct socket *sock;

    // 分配 inode（包含 socket 结构）
    inode = new_inode_pseudo(sock_mnt->mnt_sb);
    sock = SOCKET_I(inode);
    // ...
    return sock;
}

// net/core/sock.c
struct sock *sk_alloc(struct net *net, int family, gfp_t priority,
                      struct proto *prot, int kern)
{
    struct sock *sk;

    // 从协议特定的 slab 缓存分配（如 tcp_sock）
    sk = prot->slab ? kmem_cache_alloc(prot->slab, priority) : NULL;
    // ...
    return sk;
}

4.4.2 释放路径

用户调用 close() 时，内核执行 __sock_release() → sock_close() → sk_common_release()。最终，sock 对象通过 sk_free() 归还给对应的 slab 缓存，socket 对象随 inode 一起释放。

4.5 内存分配路径全景图

下图展示了从用户态系统调用到内核 slab 缓存的完整内存分配路径：

4.6 泄漏场景与排查对照

下表总结了每种核心对象常见的泄漏场景及对应的排查方法：