感覺面試的時候經(jīng)常會被問到這個問題，然后我也學(xué)習(xí)了一下Memcached的slab機制，發(fā)現(xiàn)很多服務(wù)器都是使用這種機制來分配內(nèi)存，所以決定學(xué)習(xí)一下。
首先，先對內(nèi)存分配中的伙伴系統(tǒng)有初步的了解：
在編程和使用的服務(wù)器軟件中，經(jīng)常需要分配一組連續(xù)的頁框，而頻繁地申請和釋放不同大小的連續(xù)頁框，必然導(dǎo)致在已分配頁框的內(nèi)存塊中分散了許多小塊的空閑頁框。這樣，即使這些頁框是空閑的，但要分配一個大塊的連續(xù)頁框就可能無法滿足。 而linux采用了伙伴系統(tǒng)來解決上述難題。把所有的空閑頁框分組為11個塊鏈表，每個塊鏈表分別包含大小為1，2，4，8，16，32，64，128，256，512和1024個連續(xù)頁框的頁框塊。最大可以申請1024個連續(xù)頁框，對應(yīng)4MB大小的連續(xù)內(nèi)存。每個頁框塊的第一個頁框的物理地址是該塊大小的整數(shù)倍。例如，大小為16個頁框的塊，其起始地址是16×212的倍數(shù)。假設(shè)要申請一個256個頁框的塊，先從256個頁框的鏈表中查找空閑塊，如果沒有，就去512個頁框的鏈表中找，找到了則將頁框塊分為2個256個頁框的塊，一個分配給應(yīng)用，另外一個移到256個頁框的鏈表中。如果512個頁框的鏈表中仍沒有空閑塊，繼續(xù)向1024個頁框的鏈表查找，如果仍然沒有，則返回錯誤。頁框塊在釋放時，內(nèi)核會主動將兩個互為伙伴的頁框塊合并為一個較大的頁框塊，成功后會試圖尋找伙伴并合并為更大的內(nèi)存塊，直至塊的大小超過上限或者沒有伙伴為止。互為伙伴的兩個內(nèi)存塊必須符合以下條件： 1、兩個塊具有相同的大小； 2、兩個塊的物理地址連續(xù)； 3、第一個快的物理地址是兩個塊大小的整數(shù)倍。 slab分配機制則是對伙伴算法的改進(jìn)，slab（Slab Allocation）的設(shè)計理念是基于對象緩沖的，基本想法是避免重復(fù)大量的初始化和清理操作。slab主要可以用于頻繁非配釋放的內(nèi)存對象。替代malloc/free 改進(jìn)的地方在于：它對內(nèi)存區(qū)的處理并不需要進(jìn)行初始化或回收。出于效率的考慮，Linux并不調(diào)用對象的構(gòu)造或析構(gòu)函數(shù)，而是把指向這兩個函數(shù)的指針都置為空。Linux中引入Slab的主要目的是為了減少對伙伴算法的調(diào)用次數(shù)。
實際上，內(nèi)核經(jīng)常反復(fù)使用某一內(nèi)存區(qū)。例如，只要內(nèi)核創(chuàng)建一個新的進(jìn)程，就要為該進(jìn)程相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（task_struct、打開文件對象等）分配內(nèi)存區(qū)。當(dāng)進(jìn)程結(jié)束時，收回這些內(nèi)存區(qū)。因為進(jìn)程的創(chuàng)建和撤銷非常頻繁，因此，Linux的早期版本把大量的時間花費在反復(fù)分配或回收這些內(nèi)存區(qū)上。從Linux2.2開始，把那些頻繁使用的頁面保存在高速緩存中并重新使用。可以根據(jù)對內(nèi)存區(qū)的使用頻率來對它分類。對于預(yù)期頻繁使用的內(nèi)存區(qū)，可以創(chuàng)建一組特定大小的專用緩沖區(qū)進(jìn)行處理，以避免內(nèi)碎片的產(chǎn)生。對于較少使用的內(nèi)存區(qū)，可以創(chuàng)建一組通用緩沖區(qū)（如Linux2.0中所使用的2的冪次方）來處理，即使這種處理模式產(chǎn)生碎片，也對整個系統(tǒng)的性能影響不大。
硬件高速緩存的使用，又為盡量減少對伙伴算法的調(diào)用提供了另一個理由，因為對伙伴算法的每次調(diào)用都會“弄臟”硬件高速緩存，因此，這就增加了對內(nèi)存的平均訪問次數(shù)。
Slab分配模式把對象分組放進(jìn)緩沖區(qū)
對于小對象， 就把Slab的描述結(jié)構(gòu)slab_t放在該Slab中；對于大對象，則把Slab結(jié)構(gòu)游離出來，集中存放。關(guān)于Slab中的著色區(qū)再給予具體描述： 每個Slab的首部都有一個小小的區(qū)域是不用的，稱為“著色區(qū)（coloring area）”。著色區(qū)的大小使Slab中的每個對象的起始地址都按高速緩存中的”緩存行（cache line）”大小進(jìn)行對齊（80386的一級高速緩存行大小為16字節(jié)，Pentium為32字節(jié)）。因為Slab是由1個頁面或多個頁面（最多為32）組成，因此，每個Slab都是從一個頁面邊界開始的，它自然按高速緩存的緩沖行對齊。但是，Slab中的對象大小不確定，設(shè)置著色區(qū)的目的就是將Slab中第一個對象的起始地址往后推到與緩沖行對齊的位置。因為一個緩沖區(qū)中有多個Slab，因此，應(yīng)該把每個緩沖區(qū)中的各個Slab著色區(qū)的大小盡量安排成不同的大小，這樣可以使得在不同的Slab中，處于同一相對位置的對象，讓它們在高速緩存中的起始地址相互錯開，這樣就可以改善高速緩存的存取效率。 每個Slab上最后一個對象以后也有個小小的廢料區(qū)是不用的，這是對著色區(qū)大小的補償，其大小取決于著色區(qū)的大小，以及Slab與其每個對象的相對大小。但該區(qū)域與著色區(qū)的總和對于同一種對象的各個Slab是個常數(shù)。 每個對象的大小基本上是所需數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的大小。只有當(dāng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的大小不與高速緩存中的緩沖行對齊時，才增加若干字節(jié)使其對齊。所以，一個Slab上的所有對象的起始地址都必然是按高速緩存中的緩沖行對齊的。參考：深入分析Linux內(nèi)核源碼http://oss.org.cn/kernel-book/ Memcached 源碼分析新聞熱點
疑難解答
