14. 【Slab】6 - slab的一些情景分析

Linux内核内存管理 Linux 2.6.11

 2023/03/24 

这篇笔记算是对slab的总结吧，我会边写边回顾之前的几篇笔记。有新的想法就添加，有不对的地方就修改。争取把slab的一系列流程搞清楚。我还是先从第一个场景，就是从零开始创建普通高速缓存写起。

创建普通高速缓存

创建第一个普通高速缓存

这要从10. 【slab】2 - slab的基本操作 - kmem_cache_init()说起，在kmem_cache_init()中，内核创建的第一个高速缓存就是普通高速缓存，我这里暂且给它取个名字 - GC1

sizes->cs_cachep = kmem_cache_create(
                           names->name,                       // onst char *name
                           sizes->cs_size,                    // size_t size, the size of objects to be created in this cache
                           ARCH_KMALLOC_MINALIGN,             // size_t align:
                           (ARCH_KMALLOC_FLAGS | SLAB_PANIC), // unsigned long flags
                           NULL,                              // void (*ctor)(void*, kmem_cache_t *, unsigned long)
                           NULL);

我们来看看，这个时候有什么，这个时候我们只有一个静态初始化的高速缓存cache_cache，它的本地高速缓存也是静态初始化的，shared的高速缓存是空的，没有一个分配好的slab，当然也就没有任何对象。这种情况很特殊，因此我把它放在第一个位置。我们来看看在这种情况下如何创建高速缓存。

这里我稍微详细点记录第一个高速缓存是如何创建的。

计算GC1中的对齐（用于对象地址、offset等地方）以及将对象的大小按WORD进行对齐。

GC1高速缓存的对象大小、对齐已经确定

获取GC1高速缓存的描述符。
1. kmem_cache_create()通过调用kmem_cache_alloc() --> __cache_alloc()从cache_cache获取GC1缓存的描述符（cache_cache就是专门用于这项工作）；
2. __cache_alloc()检查其本地高速缓存是否有空闲空间 - 目前ac->avail == 0，不满足条件。开始尝试对cache_cache的本地高速缓存进行填充；
3. 查看shared的本地高速缓存是否有空闲对象 - 目前shared的本地高速缓存还为空；
4. 查看是否有slab在free或者partial的slab链表上 - 目前还没有任何slab；
5. 需要调用cache_grow()来创建一个新的slab（包括对对象的初始化）- 这个slab是cache_cache的，因此使用cache_cache初始化的设置来创建这个slab（比如对象大小，偏移，着色，slab描述符是否在slab外等）；
6. 将新创建的slab放回slab的free链表，然后跳到2.4，通过free链表找到这个刚创建的slab；
7. 将一定数量（< batchcount)的对象给本地高速缓存（其实就是将对象的地址复制给本地高速缓存），在这里，cache_cache的batchcount和本地高速缓存的大小都是1，因此，只需要复制1个对象的地址即可；
8. 在__cache_alloc()中返回这个对象的地址，这个地址就是我们需要创建的GC1高速缓存的描述符地址。

GC1高速缓存的描述符已获取，cache_cache有了第一个slab，其array_cache的本地高速缓存实现了填充和使用

根据对象的大小、对齐等，计算出GC1中slab对象的数量、高速缓存的gfporder、offset、着色、对象大小等等。

GC1高速缓存的gfporder、offset、着色、对象大小等等已经获取，其slab的内部结构已经确定

创建GC1高速缓存的本地高速缓存
1. 根据g_cpucache_up的值（NONE），使用静态分配的方法给GC1分配本地高速缓存，完成后g_cpucache_up == PARTIAL；
2. 初始化GC1的本地高速缓存以及部分GC1的参数。

GC1有了本地高速缓存，但没有空闲对象，GC1目前也没有slab。

将GC1连入cache_chain。

至此，GC1就算是创建成功了，但它目前还有几个缺点：

没有slab和对象；
没有shared的高速缓存；
本地高速缓存还是空的；

这些缺点在之后的初始化过程中都会被修复，我到时候再说明。

创建第二个普通高速缓存

这里我就给它取名为GC2吧，我们来看看它的创建和第一个普通高速缓存的创建有什么不同。

这步一样。
这步基本一样，cache_cache的本地高速缓存依然没有空闲对象，去partial slab链表找到slab和对象，复制给cache_cache的本地高速缓存并被使用。
这步一样。
现在g_cpucache_up == PARTIAL，那么就需要使用kmallo()来获取GC2的本地高速缓存了。和cache_cache一样，GC2的本地高速缓存也只能容纳一个对象。这个函数最终会调用__cache_alloc()，那么就要走GC1创建过程中cache_cache走的老路了。GC1创建一个新的slab再获得GC2的高速缓存描述符。其它和GC1的创建一样。

GC1有了第一个slab，其array_cache的本地高速缓存实现了填充和使用

将GC2连入cache_chain。

创建第三个普通高速缓存

1,2,3,5步都一样，4中，kmalloc()去GC1的slab中获取一个对象，不用再创建新的slab。其它一样。

完成kmem_cache_init()剩下部分

在上一部分，我们讨论的是创建普通高速缓存，它们是在kmem_cache_init()中完成的。到目前为止，我们可以知道，cache_cache和GC1是真正分配了slab，其它普通高速缓存都没有分配slab。并且它们的本地高速缓存和只能容纳一个对象、shared高速缓存还没有初始化，这部分都在kmem_cache_init()的后半部分完成。

在完成所有普通高速缓存的创建后，第一步就是替换掉cache_cache和GC1中的本地高速缓存。从上面分析可以知道，这两个高速缓存的本地高速缓存都是静态分配的，我们这里要用kmalloc()来动态的分配内存空间（从GC1中获取）。

再次总结，高速缓存的描述符从cache_cache中获取（包括专用和普通），cache_cache和普通高速缓存的本地高速缓存从GC1获取。

到这里，我们就需要重新初始化cache_cache和所有普通高速缓存的本地高速缓存和shared的高速缓存了。

重新初始化本地高速缓存和shared的高速缓存

这部分直接参考11. 【Slab】3 - Slab的基本操作 - kmem_cache_create()即可，说的很清楚了（当然，我现在又回去修改了一些地方）。

这步结束后，cache_cache, GC1, GC2, …, GCx就都完成了最后的分配，以后就可以直接使用kmalloc()等函数了。

kmem_cache_init()结束之后创建专用高速缓存

在初始化之后，创建专用高速缓存就比较简单了。

这步一样。
这步一样，从cache_cache获取高速缓存描述符。
这步一样。
现在g_cpucache_up == FULL，说明slab系统初始化已经完成。可以直接在这里创建本地高速缓存和shared的高速缓存。
这步一样。

到这里，我们就完成了对高速缓存创建的几种特殊情况的分析，同时，我们还复习了如何分配对象以及在不同的情况下，对象分配过程中的不同点。对于对象、slab以及高速缓存的释放、销毁，我在上一篇笔记中已经详细记载了，这里就不重复了。

至此，slab系统的学习总结要告一段落了，以后有什么新的想法再来补充、修改。

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13. 【Slab】5 - slab、高速缓存以及对象的释放和销毁

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2. kmem_cache_init()结束之后创建专用高速缓存