Linux内核内存池管理技术实现分析
一．Linux系统内核内存管理简介Linux采用“按需调页”算法，支持三层页式存储管理策略。将每个用户进程4GB长度的虚拟内存划分成固定大小的页面。其中0至3GB是用户态空间，由各进程独占；3GB到4GB是内核态空间，由所有进程共享，但只有内核态进程才能访问。Linux将物理内存也划分成固定大小的页面，由数据结构page管理，有多少页面就有多少page结构，它们又作为元素组成一个数组mem_map
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一．Linux系统内核内存管理简介
Linux采用“按需调页”算法，支持三层页式存储管理策略。将每个用户进程4GB长度的虚拟内存划分成固定大小的页面。其中0至3GB是用户态空间，由各进程独占；3GB到4GB是内核态空间，由所有进程共享，但只有内核态进程才能访问。
Linux将物理内存也划分成固定大小的页面，由数据结构page管理，有多少页面就有多少page结构，它们又作为元素组成一个数组mem_map[]。
slab：在操作系统的运作过程中，经常会涉及到大量对象的重复生成、使用和释放问题。对象生成算法的改进，可以在很大程度上提高整个系统的性能。在Linux系统中所用到的对象，比较典型的例子是inode、task_struct等，都又这些特点。一般说来，这类对象的种类相对稳定，每种对象的数量却是巨大的，并且在初始化与析构时要做大量的工作，所占用的时间远远超过内存分配的时间。但是这些对象往往具有这样一个性质，即他们在生成时，所包括的成员属性值一般都赋成确定的数值，并且在使用完毕，释放结构前，这些属性又恢复为未使用前的状态。因此，如果我们能够用合适的方法使得在对象前后两次背使用时，在同一块内存，或同一类内存空间，且保留了基本的数据结构，就可以大大提高效率。slab算法就是针对上述特点设计的。
slab算法思路中最基本的一点被称为object-caching，即对象缓存。其核心做法就是保留对象初始化状态的不变部分，这样对象就用不着在每次使用时重新初始化（构造）及破坏（析构）。
面向对象的slab分配中有如下几个术语：
l 缓冲区（cache）：一种对象的所有实例都存在同一个缓存区中。不同的对象，即使大小相同，也放在不同的缓存区内。每个缓存区有若干个slab，按照满，半满，空的顺序排列。在slab分配的思想中，整个内核态内存块可以看作是按照这种缓存区来组织的，对每一种对象使用一种缓存区，缓存区的管理者记录了这个缓存区中对象的大小，性质，每个slab块中对象的个数以及每个slab块大小。
l slab块：slab块是内核内存分配与页面级分配的接口。每个slab块的大小都是页面大小的整数倍，有若干个对象组成。slab块共分为三类：
完全块：没有空闲对象。
部分块：只分配了部分对象空间，仍有空闲对象。
空闲块：没有分配对象，即整个块内对象空间均可分配。
在申请新的对象空间时，如果缓冲区中存在部分块，那么首先查看部分块寻找空闲对象空间，若未成功再查看空闲块，如果还未成功则为这个对象分配一块新的slab块。
l 对象：将被申请的空间视为对象，使用构造函数初始化对象，然后由用户使用对象。
二．内存池的数据结构
Linux内存池是在2.6版内核中加入的，主要的数据结构定义在mm/mempool.c中。
typedef struct mempool_s {
spinlock_t lock;
int min_nr; /* elements数组中的成员数量 */
int curr_nr; /* 当前elements数组中空闲的成员数量 */
void **elements; /* 用来存放内存成员的二维数组，其长度为min_nr，宽度是上述各个内存对象的长度，因为对于不同的对象类型，我们会创建相应的内存池对象，所以每个内存池对象实例的element宽度都是跟其内存对象相关的 */
void *pool_data; /* 内存池与内核缓冲区结合使用（上面的简介当中提到了，Linux采用slab技术预先为每一种内存对象分配了缓存区，每当我们申请某个类型的内存对象时，实际是从这种缓存区获取内存），这个指针一般是指向这种内存对象对应的缓存区的指针 */
mempool_alloc_t *alloc; /* 用户在创建一个内存池对象时提供的内存分配函数，这个函数可以用户自行编写（因为对于某个内存对象如何获取内存，其开发者完全可以自行控制），也可以采用内存池提供的分配函数 */
mempool_free_t *free; /* 内存释放函数，其它同上 */
wait_queue_head_t wait;/* 任务等待队列 */
} mempool_t;
三．内核缓存区和内存池的初始化
上面提到，内存池的使用是与特定类型的内存对象缓存区相关联的。例如，在系统rpc服务中，系统初始化时，会为rpc_buffers预先分配缓存区，调用如下语句：
rpc_buffer_slabp = kmem_cache_create("rpc_buffers",
RPC_BUFFER_MAXSIZE,
0, SLAB_HWCACHE_ALIGN,
NULL, NULL);
调用kmem_cache_create函数从系统缓存区cache_cache中获取长度为RPC_BUFFER_MAXSIZE的缓存区大小的内存，作为rpc_buffer使用的缓存区。而以后对rpc操作的所有数据结构内存都是从这块缓存区申请，这是linux的slab技术的要点，而内存池也是基于这段缓存区进行的操作。
一旦rpc服务申请到了一个缓存区rpc_buffer_slabp以后，就可以创建一个内存池来管理这个缓存区了：
rpc_buffer_mempool = mempool_create(RPC_BUFFER_POOLSIZE,
mempool_alloc_slab,
mempool_free_slab,
rpc_buffer_slabp);
mempool_create函数就是内存池创建函数，负责为一类内存对象构造一个内存池，传递的参数包括，内存池大小，定制的内存分配函数，定制的内存析构函数，这个对象的缓存区指针。下面是mempool_create函数的具体实现：
/**
* mempool_create – 创建一个内存池对象
* @min_nr: 为内存池分配的最小内存成员数量
* @alloc_fn: 用户自定义内存分配函数
* @free_fn: 用户自定义内存释放函数
* @pool_data: 根据用户自定义内存分配函数所提供的可选私有数据，一般是缓存区指针
*/
mempool_t * mempool_create(int min_nr, mempool_alloc_t *alloc_fn,
mempool_free_t *free_fn, void *pool_data)
{
mempool_t *pool;
/*为内存池对象分配内存*/
pool = kmalloc(sizeof(*pool), GFP_KERNEL);
if (!pool)
return NULL;
memset(pool, 0, sizeof(*pool));
/*根据内存池的最小长度为elements数组分配内存*/
pool->elements = kmalloc(min_nr * sizeof(void *), GFP_KERNEL);
if (!pool->elements) {
kfree(pool);
return NULL;
}
spin_lock_init(&pool->lock);
/*初始化内存池的相关参数*/
pool->min_nr = min_nr;
pool->pool_data = pool_data;
init_waitqueue_head(&pool->wait);
pool->alloc = alloc_fn;
pool->free = free_fn;
/*首先为内存池预先分配min_nr个element对象，这些对象就是为了存储相应类型的内存对象的。数据结构形入：
*/
while (pool->curr_nr < pool->min_nr) {
void *element;
element = pool->alloc(GFP_KERNEL, pool->pool_data);
if (unlikely(!element)) {
free_pool(pool);
return NULL;
}
/*将刚刚申请到的内存挂到elements数组的相应位置上，并修改curr_nr的值*/
add_element(pool, element);
}
/*若成功创建内存池，则返回内存池对象的指针，这样就可以利用mempool_alloc和mempool_free访问内存池了。*/
return pool;
}
四．内存池的使用
如果需要使用已经创建的内存池，则需要调用mempool_alloc从内存池中申请内存以及调用mempool_free将用完的内存还给内存池。
void * mempool_alloc(mempool_t *pool, int gfp_mask)
{
void *element;
unsigned long flags;
DEFINE_WAIT(wait);
int gfp_nowait = gfp_mask & ~(__GFP_WAIT | __GFP_IO);
repeat_alloc:
/*这里存在一些不明白的地方，先将用户传递进来的gfp掩码标志去掉__GFP_WAIT 和 __GFP_IO 两个标志，试图调用用户自定义分配函数从缓存区申请一个内存对象，而不是首先从内存池从分配，如果申请不到，再从内存池中分配。*/
element = pool->alloc(gfp_nowait|__GFP_NOWARN, pool->pool_data);
if (likely(element != NULL))
return element;
/*如果池中的成员（空闲）的数量低于满时的一半时，需要额外从系统中申请内存，而不是从内存池中申请了。但是如果这段内存使用完了，则调用mempool_free将其存放到内存池中，下次使用就不再申请了。*/
mb();
if ((gfp_mask & __GFP_FS) && (gfp_mask != gfp_nowait) &&
(pool->curr_nr <= pool->min_nr/2)) {
element = pool->alloc(gfp_mask, pool->pool_data);
if (likely(element != NULL))
return element;
}
spin_lock_irqsave(&pool->lock, flags);
/*如果当前内存池不为空，则从池中获取一个内存对象，返回给申请者*/
if (likely(pool->curr_nr)) {
element = remove_element(pool);
spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);
return element;
}
spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);
/* We must not sleep in the GFP_ATOMIC case */
if (!(gfp_mask & __GFP_WAIT))
return NULL;
/*下面一部分应该和内核调度有关，所以暂时不看了*/
prepare_to_wait(&pool->wait, &wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
mb();
if (!pool->curr_nr)
io_schedule();
finish_wait(&pool->wait, &wait);
goto repeat_alloc;
}
如果申请者调用mempool_free准备释放内存，实际上是将内存对象重新放到内存池中。源码实现如下：
void mempool_free(void *element, mempool_t *pool)
{
unsigned long flags;
mb();
/*如果当前内存池已经满，则直接调用用户内存释放函数将内存还给系统*/
if (pool->curr_nr < pool->min_nr) {
spin_lock_irqsave(&pool->lock, flags);
if (pool->curr_nr < pool->min_nr) {
/*如果内存池还有剩余的空间，则将内存对象放入池中，唤醒等待队列*/
add_element(pool, element);
spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);
wake_up(&pool->wait);
return;
}
spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);
}
pool->free(element, pool->pool_data);
}
这个函数十分简单，没有什么过多的分析了。
五．内存池实现总结
通过上面的分析，我们发现Linux内核的内存池实现相当简单。而C++STL中，实现了二级分配机制，初始化时将内存池按照内存的大小分成数个级别（每个级别均是8字节的整数倍，一般是8，16，24，…，128字节），每个级别都预先分配了20块内存。二级分配机制的基本思想是：如果用户申请的内存大于我们预定义的级别，则直接调用malloc从堆中分配内存，而如果申请的内存大小在128字节以内，则从最相近的内存大小中申请，例如申请的内存是10字节，则可以从16字节的组中取出一块交给申请者，如果该组的内存储量（初始是20）小于一定的值，就会根据一个算法（成为refill算法），再次从堆中申请一部分内存加入内存池，保证池中有一定量的内存可用。
而Linux的内存池实际上是与特定内存对象相关联的，每一种内存对象（例如task_struct）都有其特定的大小以及初始化方法，这个与STL的分级有点相似，但是内核主要还是根据实际的对象的大小来确定池中对象的大小。
内核内存池初始时从缓存区申请一定量的内存块，需要使用时从池中顺序查找空闲内存块并返回给申请者。回收时也是直接将内存插入池中，如果池已经满，则直接释放。内存池没有动态增加大小的能力，如果内存池中的内存消耗殆尽，则只能直接从缓存区申请内存，内存池的容量不会随着使用量的增加而增加。
Linux采用“按需调页”算法，支持三层页式存储管理策略。将每个用户进程4GB长度的虚拟内存划分成固定大小的页面。其中0至3GB是用户态空间，由各进程独占；3GB到4GB是内核态空间，由所有进程共享，但只有内核态进程才能访问。
Linux将物理内存也划分成固定大小的页面，由数据结构page管理，有多少页面就有多少page结构，它们又作为元素组成一个数组mem_map[]。
slab：在操作系统的运作过程中，经常会涉及到大量对象的重复生成、使用和释放问题。对象生成算法的改进，可以在很大程度上提高整个系统的性能。在Linux系统中所用到的对象，比较典型的例子是inode、task_struct等，都又这些特点。一般说来，这类对象的种类相对稳定，每种对象的数量却是巨大的，并且在初始化与析构时要做大量的工作，所占用的时间远远超过内存分配的时间。但是这些对象往往具有这样一个性质，即他们在生成时，所包括的成员属性值一般都赋成确定的数值，并且在使用完毕，释放结构前，这些属性又恢复为未使用前的状态。因此，如果我们能够用合适的方法使得在对象前后两次背使用时，在同一块内存，或同一类内存空间，且保留了基本的数据结构，就可以大大提高效率。slab算法就是针对上述特点设计的。
slab算法思路中最基本的一点被称为object-caching，即对象缓存。其核心做法就是保留对象初始化状态的不变部分，这样对象就用不着在每次使用时重新初始化（构造）及破坏（析构）。
面向对象的slab分配中有如下几个术语：
l 缓冲区（cache）：一种对象的所有实例都存在同一个缓存区中。不同的对象，即使大小相同，也放在不同的缓存区内。每个缓存区有若干个slab，按照满，半满，空的顺序排列。在slab分配的思想中，整个内核态内存块可以看作是按照这种缓存区来组织的，对每一种对象使用一种缓存区，缓存区的管理者记录了这个缓存区中对象的大小，性质，每个slab块中对象的个数以及每个slab块大小。
l slab块：slab块是内核内存分配与页面级分配的接口。每个slab块的大小都是页面大小的整数倍，有若干个对象组成。slab块共分为三类：
完全块：没有空闲对象。
部分块：只分配了部分对象空间，仍有空闲对象。
空闲块：没有分配对象，即整个块内对象空间均可分配。
在申请新的对象空间时，如果缓冲区中存在部分块，那么首先查看部分块寻找空闲对象空间，若未成功再查看空闲块，如果还未成功则为这个对象分配一块新的slab块。
l 对象：将被申请的空间视为对象，使用构造函数初始化对象，然后由用户使用对象。
二．内存池的数据结构
Linux内存池是在2.6版内核中加入的，主要的数据结构定义在mm/mempool.c中。
typedef struct mempool_s {
spinlock_t lock;
int min_nr; /* elements数组中的成员数量 */
int curr_nr; /* 当前elements数组中空闲的成员数量 */
void **elements; /* 用来存放内存成员的二维数组，其长度为min_nr，宽度是上述各个内存对象的长度，因为对于不同的对象类型，我们会创建相应的内存池对象，所以每个内存池对象实例的element宽度都是跟其内存对象相关的 */
void *pool_data; /* 内存池与内核缓冲区结合使用（上面的简介当中提到了，Linux采用slab技术预先为每一种内存对象分配了缓存区，每当我们申请某个类型的内存对象时，实际是从这种缓存区获取内存），这个指针一般是指向这种内存对象对应的缓存区的指针 */
mempool_alloc_t *alloc; /* 用户在创建一个内存池对象时提供的内存分配函数，这个函数可以用户自行编写（因为对于某个内存对象如何获取内存，其开发者完全可以自行控制），也可以采用内存池提供的分配函数 */
mempool_free_t *free; /* 内存释放函数，其它同上 */
wait_queue_head_t wait;/* 任务等待队列 */
} mempool_t;
三．内核缓存区和内存池的初始化
上面提到，内存池的使用是与特定类型的内存对象缓存区相关联的。例如，在系统rpc服务中，系统初始化时，会为rpc_buffers预先分配缓存区，调用如下语句：
rpc_buffer_slabp = kmem_cache_create("rpc_buffers",
RPC_BUFFER_MAXSIZE,
0, SLAB_HWCACHE_ALIGN,
NULL, NULL);
调用kmem_cache_create函数从系统缓存区cache_cache中获取长度为RPC_BUFFER_MAXSIZE的缓存区大小的内存，作为rpc_buffer使用的缓存区。而以后对rpc操作的所有数据结构内存都是从这块缓存区申请，这是linux的slab技术的要点，而内存池也是基于这段缓存区进行的操作。
一旦rpc服务申请到了一个缓存区rpc_buffer_slabp以后，就可以创建一个内存池来管理这个缓存区了：
rpc_buffer_mempool = mempool_create(RPC_BUFFER_POOLSIZE,
mempool_alloc_slab,
mempool_free_slab,
rpc_buffer_slabp);
mempool_create函数就是内存池创建函数，负责为一类内存对象构造一个内存池，传递的参数包括，内存池大小，定制的内存分配函数，定制的内存析构函数，这个对象的缓存区指针。下面是mempool_create函数的具体实现：
/**
* mempool_create – 创建一个内存池对象
* @min_nr: 为内存池分配的最小内存成员数量
* @alloc_fn: 用户自定义内存分配函数
* @free_fn: 用户自定义内存释放函数
* @pool_data: 根据用户自定义内存分配函数所提供的可选私有数据，一般是缓存区指针
*/
mempool_t * mempool_create(int min_nr, mempool_alloc_t *alloc_fn,
mempool_free_t *free_fn, void *pool_data)
{
mempool_t *pool;
/*为内存池对象分配内存*/
pool = kmalloc(sizeof(*pool), GFP_KERNEL);
if (!pool)
return NULL;
memset(pool, 0, sizeof(*pool));
/*根据内存池的最小长度为elements数组分配内存*/
pool->elements = kmalloc(min_nr * sizeof(void *), GFP_KERNEL);
if (!pool->elements) {
kfree(pool);
return NULL;
}
spin_lock_init(&pool->lock);
/*初始化内存池的相关参数*/
pool->min_nr = min_nr;
pool->pool_data = pool_data;
init_waitqueue_head(&pool->wait);
pool->alloc = alloc_fn;
pool->free = free_fn;
/*首先为内存池预先分配min_nr个element对象，这些对象就是为了存储相应类型的内存对象的。数据结构形入：
*/
while (pool->curr_nr < pool->min_nr) {
void *element;
element = pool->alloc(GFP_KERNEL, pool->pool_data);
if (unlikely(!element)) {
free_pool(pool);
return NULL;
}
/*将刚刚申请到的内存挂到elements数组的相应位置上，并修改curr_nr的值*/
add_element(pool, element);
}
/*若成功创建内存池，则返回内存池对象的指针，这样就可以利用mempool_alloc和mempool_free访问内存池了。*/
return pool;
}
四．内存池的使用
如果需要使用已经创建的内存池，则需要调用mempool_alloc从内存池中申请内存以及调用mempool_free将用完的内存还给内存池。
void * mempool_alloc(mempool_t *pool, int gfp_mask)
{
void *element;
unsigned long flags;
DEFINE_WAIT(wait);
int gfp_nowait = gfp_mask & ~(__GFP_WAIT | __GFP_IO);
repeat_alloc:
/*这里存在一些不明白的地方，先将用户传递进来的gfp掩码标志去掉__GFP_WAIT 和 __GFP_IO 两个标志，试图调用用户自定义分配函数从缓存区申请一个内存对象，而不是首先从内存池从分配，如果申请不到，再从内存池中分配。*/
element = pool->alloc(gfp_nowait|__GFP_NOWARN, pool->pool_data);
if (likely(element != NULL))
return element;
/*如果池中的成员（空闲）的数量低于满时的一半时，需要额外从系统中申请内存，而不是从内存池中申请了。但是如果这段内存使用完了，则调用mempool_free将其存放到内存池中，下次使用就不再申请了。*/
mb();
if ((gfp_mask & __GFP_FS) && (gfp_mask != gfp_nowait) &&
(pool->curr_nr <= pool->min_nr/2)) {
element = pool->alloc(gfp_mask, pool->pool_data);
if (likely(element != NULL))
return element;
}
spin_lock_irqsave(&pool->lock, flags);
/*如果当前内存池不为空，则从池中获取一个内存对象，返回给申请者*/
if (likely(pool->curr_nr)) {
element = remove_element(pool);
spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);
return element;
}
spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);
/* We must not sleep in the GFP_ATOMIC case */
if (!(gfp_mask & __GFP_WAIT))
return NULL;
/*下面一部分应该和内核调度有关，所以暂时不看了*/
prepare_to_wait(&pool->wait, &wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
mb();
if (!pool->curr_nr)
io_schedule();
finish_wait(&pool->wait, &wait);
goto repeat_alloc;
}
如果申请者调用mempool_free准备释放内存，实际上是将内存对象重新放到内存池中。源码实现如下：
void mempool_free(void *element, mempool_t *pool)
{
unsigned long flags;
mb();
/*如果当前内存池已经满，则直接调用用户内存释放函数将内存还给系统*/
if (pool->curr_nr < pool->min_nr) {
spin_lock_irqsave(&pool->lock, flags);
if (pool->curr_nr < pool->min_nr) {
/*如果内存池还有剩余的空间，则将内存对象放入池中，唤醒等待队列*/
add_element(pool, element);
spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);
wake_up(&pool->wait);
return;
}
spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);
}
pool->free(element, pool->pool_data);
}
这个函数十分简单，没有什么过多的分析了。
五．内存池实现总结
通过上面的分析，我们发现Linux内核的内存池实现相当简单。而C++STL中，实现了二级分配机制，初始化时将内存池按照内存的大小分成数个级别（每个级别均是8字节的整数倍，一般是8，16，24，…，128字节），每个级别都预先分配了20块内存。二级分配机制的基本思想是：如果用户申请的内存大于我们预定义的级别，则直接调用malloc从堆中分配内存，而如果申请的内存大小在128字节以内，则从最相近的内存大小中申请，例如申请的内存是10字节，则可以从16字节的组中取出一块交给申请者，如果该组的内存储量（初始是20）小于一定的值，就会根据一个算法（成为refill算法），再次从堆中申请一部分内存加入内存池，保证池中有一定量的内存可用。
而Linux的内存池实际上是与特定内存对象相关联的，每一种内存对象（例如task_struct）都有其特定的大小以及初始化方法，这个与STL的分级有点相似，但是内核主要还是根据实际的对象的大小来确定池中对象的大小。
内核内存池初始时从缓存区申请一定量的内存块，需要使用时从池中顺序查找空闲内存块并返回给申请者。回收时也是直接将内存插入池中，如果池已经满，则直接释放。内存池没有动态增加大小的能力，如果内存池中的内存消耗殆尽，则只能直接从缓存区申请内存，内存池的容量不会随着使用量的增加而增加。
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