Linux内核——伙伴系统和slab缓存

本节，我将介绍linux系统物理内存分配时所用到的技术——伙伴系统和slab缓存。

伙伴系统

使用场景：内核中很多时候要求分配连续页，为快速检测内存中的连续区域，内核采用了一种技术：伙伴系统。

原理：系统中的空闲内存总是两两分组，每组中的两个内存块称作伙伴。伙伴的分配可以是彼此独立的。但如果两个小伙伴都是空闲的，内核将其合并为一个更大的内存块，作为下一层次上某个内存块的伙伴。如下图给出了一对伙伴，初始大小均为8页。



内核对所有大小相同的小伙伴，都放置到统一列表中管理。如果系统现在需要8个页帧，则将16个页帧组成的块拆分为两个伙伴。其中一块用于满足应用程序的请求，而剩余的8个页帧则放置到对应8页大小内存块的列表中。

如果下一个请求只需要2个连续页帧，则由8页组成的块分裂成2个伙伴，每个包含4个页帧。其中一块放置回伙伴列表中，而另一个再次分裂成2个伙伴，每个包含2页。其中一个回到伙伴系统，另一个则传递给应用程序。

在应用程序释放内存时，内核可以直接检查地址，来判断是否创建一组伙伴，并合并为一个更大的内存块放回到伙伴列表中，这刚好是内存块分裂的逆过程，提高了较大内存块的可用性。

slab缓存

适用场景：内核本身经常需要比完整页帧小的多的内存块。

原理：在伙伴系统基础上自行定义额外的内存管理层，将伙伴系统提供的页划分为更小的部分。

方法1：对频繁使用的对象，内核定义了只包含了所需类型对象实例的缓存。每次需要某种对象时，可以从对应的缓存快速分配（使用后释放到缓存）。slab缓存自动维护与伙伴系统的交互，在缓存用尽时会请求新的页帧。

方法2：对通常情况下小内存块的分配，内核针对不同大小的对象定义了一组slab缓存，可以像用户空间编程一样，用相同的函数访问这些缓存。不同之处是这些函数都增加了前缀k，表明是与内核相关联的：kmalloc和kfree。