LINUX源代码分析-内存管理精品资料.doc

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1、.LINUX 源代码分析. - slab.c 报告人 : 李娜 混合 973 9730071 LINUX 2.2.5版本内核内存管理操作系统管理系统所有的物理空间, 现代大多数操作系统都采取多级管理, 即页面级分配与内核内存分配。就LINUX2-2-5 版本而言，页面级的分配是采用Buddy 算法，而内核内存分配是采用面向对象的Slab分配原则。 该分配原则高效，可以大大提高内存的利用率以及硬件cache级系统总线的利用率。它在Solaris2-4中已被采用。 （见”UNIX Kernel” 一书。）面向对象的Slab分配原则主要为以下几点：1 面向对象的思想：将被申请的空间视为对象，使用构造

2、函数出始化对象，然后由用户使用对象（即所需的物理空间），当需要回收空间时，使用析构函数析构对象，在释放给系统。2 Slab 块Slab 块是内核内存分配与页面级分配的接口。每个slab块的大小都为页面大小的整数倍， 由若干对象组成。系统一次分配给用户的内存为一个slab块，回收时也为一个slab块3 对象缓存区：每一类对象都有自己的缓存区。缓存区按slab块组建。缓存区的管理者纪录该类对象的所有信息，包括对象的大小，性质（如是否用于dma操作），slab的各项参数及使用情况等。具体详见数据结构说明。4 着色机制：所谓着色机制是指，按照对象要求的对齐字节数，分配合适的着色区（即偏移量），以使该类

3、对象有良好的地址分布，便于硬件操作，从而带来较高的硬件cache 和系统总线使用率。具体实现如下：l 重要的数据结构 kmem_bufctl_t说明 : 管理对象的数据类型/* Bufctls are used for linking objs within a slab, identifying what slab an obj * is in, and the address of the associated obj (for sanity checking with off-slab * bufctls). What a bufctl contains depends upon the

4、 state of the obj and * the organisation of the cache. */typedef struct kmem_bufctl_s union struct kmem_bufctl_s*buf_nextp; /用于空闲对象 / (保存后继空闲对象)kmem_slab_t *buf_slabp;/ 用于活动的不规整对象 / (保存所在slab块的指针)void * buf_objp; /用于活动的规整对象 / (保存该对象的地址) u; kmem_bufctl_t; kmem_slab_t说明 : 用于管理 slab 块的数据类型typedef struc

5、t kmem_slab_s struct kmem_bufctl_s*s_freep; /指向第一个空闲对象struct kmem_bufctl_s*s_index; / 指向规整对象链表, /对象不规整时, 为NULLunsigned long s_magic; / 用于判断该slab块是否已被销毁 / 由下面两个宏赋值 / #defineSLAB_MAGIC_ALLOC0xA5C32F2BUL / #defineSLAB_MAGIC_DESTROYED0xB2F23C5AULunsigned long s_inuse; / 活动对象的数目struct kmem_slab_s*s_nextp

6、; / 用于双向链表struct kmem_slab_s*s_prevp;void*s_mem; / 该slab块中第一个对象的地址unsigned long s_offset: SLAB_OFFSET_BITS, 16 / 用于地址对齐 s_dma:1; / 是否用于dma操作 kmem_slab_t; kmem_cache_t说明 : 管理缓存区的数据类型struct kmem_cache_s kmem_slab_t *c_freep;/ 第一个部分空闲的slab块unsigned long c_flags;/ 纪录缓存区的属性 /* constant flags */ unsigned

7、long c_offset; / on_slab 时为kmem_bufctl_t 相对于 /它所指的对象的偏移量 / off_slab 时为相邻两个对象之间的偏移量unsigned long c_num; / 每个slab 块可容纳的对象数量unsigned long c_magic; / 用于检错unsigned long c_inuse;/* kept at zero */kmem_slab_t *c_firstp; / 缓存区中的第一个slab块kmem_slab_t *c_lastp; / 最后一个slab块spinlock_t c_spinlock; / 当访问可变成员变量时使用,

8、/ 避免同时访问同一个变量unsigned long c_growing; / 正在分配内存时, 防止kmem_cache_shrink() / 或kmem_cache_rep() 回收unsigned long c_dflags; / 动态标志size_t c_org_size; / 对象的大小 ( 对其后的值)unsigned long c_gfporder; / 该cache中每个slab 拥有的页面数void (*c_ctor)(void *, kmem_cache_t *, unsigned long); /对象构造函数void (*c_dtor)(void *, kmem_cach

9、e_t *, unsigned long); /对象析构函数unsigned long c_align; / 对齐参数size_t c_colour; / 着色数, 使该类对象具有良好的基址分布size_t c_colour_next; / 当前可着色数unsigned long c_failures;const char *c_name; / 缓存区的名字struct kmem_cache_s *c_nextp; /连接下一个cachekmem_cache_t *c_index_cachep; / 用于SLAB_CLFGS_BUFCTL的情况 / 管理 用于分配s_index 的缓存区;ty

10、pedef struct kmem_cache_s kmem_cache_t; cache_sizes_t说明 : cache_sizes 表成员的数据类型typedef struct cache_sizes size_t cs_size; / number of bytekmem_cache_t*cs_cachep; cache_sizes_t;l 重要的全局变量 cache_sizes 说明 : cache_size表管理所有的通用缓存区, 这些缓存区中的对象大小均为2n . 各缓存区在 kmem_cache_sizes_init() 中分配static cache_sizes_t cac

11、he_sizes = #ifPAGE_SIZE = 4096 32,NULL,#endif 64,NULL, 128,NULL, 256,NULL, 512,NULL,1024,NULL,2048,NULL,4096,NULL,8192,NULL,16384,NULL,32768,NULL,65536,NULL,131072,NULL, / 32 pages are allowed0,NULL; cache_sizes_name说明 : 对应于cache_sizes表中通用缓存区的名字static char *cache_sizes_name = #ifPAGE_SIZE = 4096size

12、-32,#endifsize-64,size-128,size-256,size-512,size-1024,size-2048,size-4096,size-8192,size-16384,size-32768,size-65536,size-131072; cache_cache说明 : 用于管理 分配kmem_cache_t 对象的缓存区, 有部分数据在kmem_cache_init() 赋值.statickmem_cache_tcache_cache = /* freep, flags */kmem_slab_end(&cache_cache), SLAB_NO_REAP,/* off

13、set, num */sizeof(kmem_cache_t),0,/* c_magic, c_inuse */SLAB_C_MAGIC, 0,/* firstp, lastp */kmem_slab_end(&cache_cache), kmem_slab_end(&cache_cache),/* spinlock */SPIN_LOCK_UNLOCKED,/* growing */0,/* dflags */0,/* org_size, gfp */0, 0,/* ctor, dtor, align */NULL, NULL, L1_CACHE_BYTES,/* colour, colou

14、r_next */0, 0,/* failures */0,/* name */kmem_cache,/* nextp */&cache_cache,/* index */NULL,; cache_chain_semstatic struct semaphorecache_chain_sem;说明 : 缓存区管理对象链的访问需要互斥, 该变量用于访问互斥信号量,它被赋值为MUTEX, 在semaphore.h 中定义宏 #define MUTEX (struct semaphore) ATOMIC_INIT(1), 0, NULL ) #define ATOMIC_INIT(i) (i) 可见

15、该信号量的确为互斥信号量. clock_searchpstatickmem_cache_t*clock_searchp = &cache_cache; 说明 : 在 kmem_cache_reap() 函数回收空闲空间时, 采用类似于时钟算法回收空间.使所有分配的页面公平竞争. cache_slabpstatic kmem_cache_t*cache_slabp = NULL;说明 : off_slab时, 需要从另外的独立的缓存区分配该slab块的管理对象 kmem_slab_t这个缓存就由cache_slabp 来管理 bufctl_limitstatic unsigned long bu

16、fctl_limit = 0;纪录某slab块可分配对象的上限, kmem_cache_create() 中用于给每个slab块分配合适的页面数 slab_break_gfp_orderstatic int slab_break_gfp_order = SLAB_BREAK_GFP_ORDER_LO;/如果内存较大, 则取SLAB_BREAK_GFP_ORDER_HI( 见 kmem_cache_init()/ 该变量在 kmem_cache_create() 中使用 #defineSLAB_BREAK_GFP_ORDER_HI 2#defineSLAB_BREAK_GFP_ORDER_LO1

17、l 宏的说明#defineBYTES_PER_WORDsizeof(void *) / 用于对一般对象的对齐参数#defineslab_align_size(L1_CACHE_ALIGN(sizeof(kmem_slab_t) 在include/asm-i386/cache.h 中有如下定义: #if CPU=586 | CPU=686 #define L1_CACHE_BYTES 32 #else #define L1_CACHE_BYTES 16 #endif #define L1_CACHE_ALIGN(x) (x)+(L1_CACHE_BYTES-1)&(L1_CACHE_BYTES-

18、1)则slab_align_size的意义显而易见: 将kmem_slab_t 数据类型的大小与L1_CACHE_BYTES对齐./表示的对象管理方式的两个宏 (方式意义说明见后)#defineSLAB_CFLGS_OFF_SLAB 0x010000UL / off_slab 方式#defineSLAB_CFLGS_BUFCTL 0x020000UL / bufctlf 方式 /对象的用途#defineSLAB_CFLGS_GENERAL 0x080000UL/通用对象的标志#defineSLAB_HWCACHE_ALIGN 0x00002000UL /内核内存管理 /数据类型的对象/slab

19、 块的用途, 从mm.h 可得宏的值#defineSLAB_BUFFERGFP_BUFFER / 0x03#defineSLAB_ATOMICGFP_ATOMIC /0x08#defineSLAB_USERGFP_USER /0x13#defineSLAB_KERNELGFP_KERNEL /0x15#defineSLAB_NFSGFP_NFS /0x19#defineSLAB_DMAGFP_DMA /0x80/slab块的属性标志#define SLAB_LEVEL_MASK0x0000007fUL /屏蔽位, /保留上面一组宏代表的信息#defineSLAB_NO_GROW0x000010

20、00UL /不可用于 kmem_cache_grow()#defineSLAB_CFLGS_GROWN0x000002UL /当前不可用于kmem_cache_reap()#defineSLAB_NO_REAP0x00001000UL/不可用于 kmem_cache_reap()/关于构造函数与析构函数的使用参数#defineSLAB_CTOR_CONSTRUCTOR 0x001UL#define SLAB_CTOR_ATOMIC 0x002UL/该操作不可以挂起#defineSLAB_CTOR_VERIFY 0x004UL #defineSLAB_OBJ_MAX_ORDER 5 /对象最大为

21、32 页 128k#defineSLAB_MAX_GFP_ORDER5/ 每个slab 最大有32页#defineSLAB_MIN_OBJS_PER_SLAB4 /理想的最少的对象(每slab)数目 / 对于大对象有可能少于该数/以下的宏用于从mem_map中根据页面号获取cache , slab或将分得的cache , slab/插入页面链表中#defineSLAB_SET_PAGE_CACHE(pg, x)(pg)-next = (struct page *)(x)#defineSLAB_GET_PAGE_CACHE(pg)(kmem_cache_t *)(pg)-next)#define

22、SLAB_SET_PAGE_SLAB(pg, x)(pg)-prev = (struct page *)(x) #defineSLAB_GET_PAGE_SLAB(pg)(kmem_slab_t *)(pg)-prev)Linux/include/asm-i386/spinlock.h中定义的几个宏,kmem_cache_t 中的一些可变变量需要访问互斥, 用以下宏实现. #define spin_lock_init(x) do (x)-lock = 0; while (0) #define spin_lock_irq(x) do cli(); spin_lock(x); while (0)

23、#define spin_unlock_irq(x) do spin_unlock(x); sti(); while (0) #define spin_lock_irqsave(x, flags) do save_flags(flags); spin_lock_irq(x); while (0) #define spin_unlock_irqrestore(x, flags) do spin_unlock(x); restore_flags(flags); while (0)l 各数据结构间的关系 slab 块的组织每个缓存区由若干个slab 块组成, 它们以链表形式连接。如果某块中所有的对象

24、都已经分配出去（分配后的对象称为活动对象），称它处于完全活动状态。如果块中仍有未分配的对象（这样的对象称为空闲对象），则它处于部分活动状态。如果块中所有对象均为空闲对象，则它处于完全空闲状态。后两者情况统称为空闲状态。系统组织块链表时，动态的按照块的状态调整链表，使其保持c状态的居前，部分活动状态的居中，完全空闲状态的放在最后。 完全活动 部分活动 完全空闲kmem_cache_t * cachep cachep-c_firstp cachep-c_freep cachep-c_lastp slab 块内对象的组织在每个slab 块内由若干对象组成, 除了对象所占空间外, 剩余空间分别用于着色

25、区, 对象管理空间, 该slab块管理空间和不可利用空间. 见简略图s_freepNull 一个slab块内的组织 黑色部分为着色区, 用于对象基址对齐, 灰色部分为活动对象使用的空间 白色部分为空闲对象使用的空间 红色部分为其他空间具体情况下, 根据对象所占空间的大小可以分为以下几种管理方式;1. on_slab 方式用于小对象( 即size3), 此时slab块的管理结构对象在该slab块中. kmem_cache_tkmem_bufctl . buf_slab_pkmem_bufctl . buf_nextpkmem_slab_t . s_freepNull 一个slab块黑色部分为着色

26、区, 用于对象基址对齐, 灰色部分为活动对象, 白色部分为空闲对象绿色部分为对象的管理结构 kmem_bufctl_t 使用的空间红色部分为该slab块的管理结构 kmem_slab_t 使用的空间蓝色部分为为利用空间(下同)2. off_slab 方式kmem_bufctl . buf_slab_p用于大的对象( size=PAGE_SIZE3), 此时slab块的管理结构对象从cache_slabp 缓存区中分配. cache_slabpkmem_bufctl . buf_nextpkmem_slab_t . s_freepNull3. off_slab 且 bufctl方式用于大对象中s

27、ize 为2n 的情况 (此类对象称为规整的对象). 此时不仅 kmem_slab_t对象从cache_slabp 缓存区分配, 而且对象的管理结构 kmem_bufctl_t对象位于kmem_slab_t中的s_index成员变量所指的空间, 详见kmem_cache_grow()函数分析.从kmem_cache_t.c_index_cache中分配kmem_slab_t . s_indexNullkmem_slab_t . s_freepkmem_bufctl . buf_objpkmem_bufctl . buf_nextp一个 slab 其他变量的关系cache_cache cache

28、_sizesslabslabcache_slabp通用缓存区 32通用缓存区cache_sizes_t.cs_cachep 64slabslab 通用缓存区131072slabslab 其他 0NullCache Chainl 内核内存分配的接口可供用户使用的函数有： kmem_cache_create（） kmem_cache_alloc（） kmalloc（） kmem_cache_free（） kfree() /kfree_s() kmem_cache_shrink（） kmem_cache_reap()其中，kmalloc（）对用户而言较以前没有改变，但是用户可以根据自己的需要,使用

29、kmem_cache_create( )为新的对象创建缓存区, 并使用kmem_cache_alloc（）分配对象。用该方法的优势在于：对于一些大小与2n相差较多的对象的空间分配可以更高效. 例如:某对象的大小为601B, 按照一千的分配原则, 将为他分配1KB空间, 浪费424B. 按现在的方法, 将为其分配604B(4的倍数).效果显著. 任何情况下,一次只允许分配连续空128K. 以下为几种系统内核使用内存分配的特例：1fs/buffer.c bh_cachep=kmem_cache_create(buffer_head, sizeof(struct buffer_head), 0, S

30、LAB_HWCACHE_ALIGN, NULL, NULL);2Kernel/fork.c uid_cachep = kmem_cache_create(uid_cache, sizeof(struct user_struct), 0, SLAB_HWCACHE_ALIGN, NULL, NULL);3Kernel/signal.c signal_queue_cachep =kmem_cache_create(signal_queue, sizeof(struct signal_queue), _alignof_(struct signal_queue), SIG_SLAB_DEBUG, NU

31、LL, NULL); 以上几种对象都为使用较多的对象，因而为该类对象分配缓存区。对于使用较少的对象直接使用kmalloc（）,从通用缓存区分配对象即可。 而释放空间的函数与分配空间的操作对应, 不做赘述. 从以上几点，可以看到LINUX 2-2-5 的内核内存分配较2-0-35版本有较大的改进，室内核内存管理更趋高效。函数分析关于该文件的说明:/linux/mm/slab.c 的源代码中包含了大量用于调试的代码, 由于在系统使用时, 此类代码未被使用(各预编译变量如下), 因此没有分析.#defineSLAB_MGMT_CHECKS 1#defineSLAB_DEBUG_SUPPORT0#de

32、fineSLAB_STATS0#defineSLAB_SELFTEST0l 几个被调用的小函数 kmem_cache_cal_waste入口参数 : unsigned long gfporder / slab 块的大小 size_t size /对象的大小 size_t extra unsigned long flags / 属性SLAB_CFLGS_OFF_SLAB size_t *left_over /保存slab块中没有利用的空间 unsigned long *num /保存可容纳对象的数目返回值 : slab 块中除真正用于对象分配以外的内存空间大小函数功能 : 根据参数计算某一缓存区

33、中每个slab块的空间使用情况函数实现 :static inline size_t kmem_cache_cal_waste(unsigned long gfporder, size_t size, size_t extra, unsigned long flags, size_t *left_over, unsigned long *num) / 计算slab 块的内存空间大小size_t wastage = PAGE_SIZEcs_size; csizep+) if (size csizep-cs_size)continue;break;return csizep-cs_cachep; k

34、mem_cache_search_dma入口参数 : kmem_cache_t * cachep返回值 : 可用于dma 的slab块的指针函数功能 : 将某缓存区的适用于dma的空闲slab 置于c_freep链的头部函数实现 :static inline kmem_slab_t * kmem_cache_search_dma( )kmem_slab_t*slabp = cachep-c_freep-s_nextp;for (; slabp != kmem_slab_end(cachep); slabp = slabp-s_nextp) if (!(slabp-s_dma)continue;

35、kmem_slab_unlink(slabp);kmem_slab_link_free(cachep, slabp);cachep-c_freep = slabp;break;return slabp; kmem_cache_init_objs入口参数 : kmem_cache_t * cachep kmem_slab_t * slabp void *objp unsigned long ctor_flags / 构造函数的参数返回值 : 无函数功能 : 使用构造函数初始化cachep 缓存区新分配的 slabp 指向的slab 块中的 所有对象, 并生成空闲对象的链表. objp为该块的首地

36、址函数实现 :/* Get the memory for a slab management obj. */static inline void kmem_cache_init_objs(kmem_cache_t * cachep, kmem_slab_t * slabp, void *objp,unsigned long ctor_flags)kmem_bufctl_t*bufpp = &slabp-;unsigned long num = cachep-c_num-1;do /* Constructors are not allowed to allocate memory from the same cache * which they are a constructor for. Otherwise, deadlock. * They must also be threaded. */构造函数不可以与其对象在同一个缓存区中,否则等于死锁if (cachep-c_ctor)cachep-c_ctor(objp, cachep, ctor_flags);objp += cachep-c_offset;if (!slabp-s_index) / size非规整的对象*bufpp = objp;objp += sizeof(kmem_b