Skip to content

内核堆概述

Warning

The current page still doesn't have a translation for this language.

You can read it through Google Translate.

Besides, you can also help to translate it: Contributing.

类似于用户态进程中的堆（heap），内核也有着自己的一套动态内存管理机制，为了方便这里我们同样将内核中动态分配的内存称为“堆”。

Linux kernel 将内存分为 页→区→节点 三级结构，主要有两个内存管理器—— buddy system 与 slab allocator，前者负责以内存页为粒度管理所有可用的物理内存，后者则向前者请求内存页并划分为多个较小的对象（object）以进行细粒度的内存管理。

页→区→节点三级结构

这是一张十分经典的 Overview ，自顶向下是

  • 节点（node，对应结构体 pgdata_list）
  • 区（zone，对应结构体 zone，图上展示了三种类型的 zone）
  • 页（page，对应结构体 page）

image.png

页（page）

Linux kernel 中使用 page 结构体来表示一个物理页框，每个物理页框都有着一个对应的 page 结构体：

image.png

区（zone）

在 Linux 下将一个节点内不同用途的内存区域划分为不同的 区（zone），对应结构体 struct zone：

image.png

节点（node）

zone 再向上一层便是节点——Linux 将_内存控制器（memory controller）作为节点划分的依据，对于 UMA 架构而言只有一个节点，而对于 NUMA 架构而言通常有多个节点，对于同一个内存控制器下的 CPU 而言其对应的节点称之为_本地内存，不同处理器之间通过总线进行进一步的连接。如下图所示，一个 MC 对应一个节点：

image.png

buddy system

buddy system 是 Linux kernel 中的一个较为底层的内存管理系统，以内存页为粒度管理者所有的物理内存，其存在于 区 这一级别，对当前区所对应拥有的所有物理页框进行管理.

在每个 zone 结构体中都有一个 free_area 结构体数组，用以存储 buddy system 按照 order 管理的页面:

struct zone {
    //...
    struct free_area    free_area[MAX_ORDER];
    //...

其中的 MAX_ORDER 为一个常量，值为 11.

在 buddy system 中按照空闲页面的连续大小进行分阶管理，这里的 order 的实际含义为连续的空闲页面的大小，不过单位不是页面数，而是阶，即对于每个下标而言，其中所存储的页面大小为：

2^{order}

在 free_area 中存放的页面通过自身的相应字段连接成双向链表结构，由此我们得到这样一张 Overview ：

image.png

  • 分配：
    • 首先会将请求的内存大小向 2 的幂次方张内存页大小对齐，之后从对应的下标取出连续内存页。
    • 若对应下标链表为空，则会从下一个 order 中取出内存页，一分为二，装载到当前下标对应链表中，之后再返还给上层调用，若下一个 order 也为空则会继续向更高的 order 进行该请求过程。
  • 释放：
    • 将对应的连续内存页释放到对应的链表上。
    • 检索是否有可以合并的内存页，若有，则进行合成，放入更高 order 的链表中。

slab allocator

slab allocator 则是更为细粒度的内存管理器，其通过向 buddy system 请求单张或多张连续内存页后再分割成同等大小的对象（object）返还给上层调用者来实现更为细粒度的内存管理。

slab allocator 一共有三种版本：

  • slab（最初的版本，机制比较复杂，效率不高）
  • slob（用于嵌入式等场景的极为简化版本）
  • slub（优化后的版本，现在的通用版本）

基本结构

slub 版本的 allocator 为现在绝大多数 Linux kernel 所装配的版本，因此本篇文章主要叙述的也是 slub allocator，其基本结构如下图所示：

image.png

我们将 slub allocator 每次向 buddy system 请求得来的单张/多张内存页称之为一个 slub，其被分割为多个同等大小对象（object），每个 object 作为一个被分配实体，在 slub 的第一张内存页对应的 page 结构体上的 freelist 成员指向该张内存页上的第一个空闲对象，一个 slub 上的所有空闲对象组成一个以 NULL 结尾的单向链表。

一个 object 可以理解为用户态 glibc 中的 chunk，不过 object 并不像 chunk 那样需要有一个 header，因为 page 结构体与物理内存间存在线性对应关系，我们可以直接通过 object 地址找到其对应的 page 结构体。

kmem_cache 为一个基本的 allocator 组件，其用于分配某个特定大小（某种特定用途）的对象，所有的 kmem_cache 构成一个双向链表，并存在两个对应的结构体数组 kmalloc_caches 与 kmalloc_dma_caches。

一个 kmem_cache 主要由两个模块组成：

  • kmem_cache_cpu：这是一个percpu 变量（即每个核心上都独立保留有一个副本，原理是以 gs 寄存器作为 percpu 段的基址进行寻址），用以表示当前核心正在使用的 slub，因此当前 CPU 在从 kmem_cache_cpu 上取 object 时不需要加锁，从而极大地提高了性能
  • kmem_cache_node：可以理解为当前 kmem_cache 的 slub 集散中心，其中存放着两个 slub 链表：
    • partial：该 slub 上存在着一定数量的空闲 object，但并非全部空闲。
    • full：该 slub 上的所有 object 都被分配出去了。

分配/释放过程

那么现在我们可以来说明 slub allocator 的分配/释放行为了：

  • 分配：
    • 首先从 kmem_cache_cpu 上取对象，若有则直接返回。
    • 若 kmem_cache_cpu 上的 slub 已经无空闲对象了，对应 slub 会被从 kmem_cache_cpu 上取下，并尝试从 partial 链表上取一个 slub 挂载到 kmem_cache_cpu 上，然后再取出空闲对象返回。
    • 若 kmem_cache_node 的 partial 链表也空了，那就向 buddy system 请求分配新的内存页，划分为多个 object 之后再给到 kmem_cache_cpu，取空闲对象返回上层调用。
  • 释放：
    • 若被释放 object 属于 kmem_cache_cpu 的 slub，直接使用头插法插入当前 CPU slub 的 freelist。
    • 若被释放 object 属于 kmem_cache_node 的 partial 链表上的 slub，直接使用头插法插入对应 slub 的 freelist。
    • 若被释放 object 为 full slub，则其会成为对应 slub 的 freelist 头节点，且该 slub 会被放置到 partial 链表。

以上便是 slub allocator 的基本原理。

REFERENCE

https://arttnba3.cn/2021/11/28/OS-0X02-LINUX-KERNEL-MEMORY-5.11-PART-I/

https://arttnba3.cn/2022/06/30/OS-0X03-LINUX-KERNEL-MEMORY-5.11-PART-II/

https://arttnba3.cn/2023/02/24/OS-0X04-LINUX-KERNEL-MEMORY-6.2-PART-III/

https://blog.csdn.net/lukuen/article/details/6935068

https://www.cnblogs.com/LoyenWang/p/11922887.html