SLUB 小对象分配机制与实现详解

源码路径：rk3588/kernel-6.1/mm/slub.c、slab_common.c
内核版本：Linux 6.1（RK3588，通常 CONFIG_SLUB=y）
文档目录：linuxDoc/mm/

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目录

• 一、原理
• 二、实现方式
• 三、关键数据结构与接口
• 四、与页分配器关系
• 五、调试与观测
• 附录：源码索引

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一、原理

1.1 为什么需要 slab

内核大量 固定大小小对象（task_struct、inode、sk_buff 头等），若每对象一次 __alloc_pages(0)：

• 浪费内存（页内碎片）
• 增加 buddy 锁竞争

Slab 分配器 以 页为 slab，在页内切分等长 object，按 cache 复用。

1.2 SLUB 设计思想

SLUB（Six Less Unfair Buddy）相对 SLAB/SLOB：

• per-CPU slab 指针：热路径无中心锁
• 合并 partial slab 管理：减少 per-node 链表遍历
• freelist 在 object 内嵌指针：减少元数据

RK3588 defconfig 一般启用 CONFIG_SLUB，禁用 SLAB/SLOB。

1.3 三级存储层次

1.4 kmalloc

kmalloc(size, gfp) 根据 size 索引到预建 kmalloc-* cache（slab_common.c 中 create_kmalloc_caches），本质仍是 kmem_cache_alloc。

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二、实现方式

2.1 核心对象

结构	说明
struct kmem_cache	对象大小、对齐、构造函数、flags
struct slab	一页或多页容器，freelist、inuse、frozen
struct kmem_cache_cpu	per-CPU：slab、freelist、tid
struct kmem_cache_node	per-node partial/full 链表 + list_lock

2.2 分配入口

void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *s, gfp_t gfpflags)
{
	return __kmem_cache_alloc_lru(s, NULL, gfpflags);
}

→ slab_alloc() → slab_alloc_node() → ___slab_alloc()。

2.3 快路径（inlined）

slub.c 中 slab_alloc_node 内联路径：

1. 取 cpu_slab = slub_get_cpu_ptr(s->cpu_slab)
2. 若 c->slab 存在且 c->freelist 非空：直接从 freelist 弹对象（get_freepointer）
3. 使用 tid 检测 CPU 迁移，不一致则走慢路径

2.4 慢路径：___slab_alloc

1. get_partial()：从 node partial 链表取 slab
2. 若无：new_slab() → allocate_slab() → alloc_pages（order 由 oo/min_partial 决定）
3. 新 slab 标记 frozen，填入 CPU slab
4. debug 模式走 alloc_single_from_new_slab 与 red zone

2.5 释放：kmem_cache_free

• 快路径：对象放回 CPU freelist
• __slab_free：慢路径，可能将 slab 合并到 partial、或 discard_slab 归还 buddy
• deactivate_slab：flush 当前 CPU slab 到 node 链表

2.6 slab_common.c 引导

函数	时机
create_boot_cache	极早期创建 task_struct 等 cache
kmem_cache_init	建立基本 cache
kmem_cache_init_late	完整 kmalloc cache 表
create_kmalloc_caches	按 size 分档

2.7 调试与硬化

CONFIG	目录/行为
SLUB_DEBUG	redzone、poison
KASAN	kasan/ 插桩
KFENCE	kfence/ 采样检测
FAILSLAB	failslab.c 故障注入

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三、关键数据结构与接口

API	说明
kmem_cache_create	创建 cache
kmem_cache_alloc	分配对象
kmem_cache_free	释放对象
kmem_cache_alloc_node	指定 NUMA node
kmem_cache_alloc_bulk	批量分配
kmalloc / kfree	通用大小分配

锁顺序（slub.c 文件头）：slab_mutex → node->list_lock → cpu_slab->lock。

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四、与页分配器关系

• SLUB 不替代 buddy；slab 页来自 alloc_pages(gfp, order)。
• 若 buddy 失败，SLUB 返回 NULL，调用方处理；可能间接触发 OOM（见 08 文档）。
• __GFP_COMP：folio/slub 大对象可能使用复合页。

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五、调试与观测

手段	说明
/proc/slabinfo	各 cache 对象数、大小
/sys/kernel/slab/	sysfs 详情
slab_nomerge 启动参数	禁止合并 cache

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附录：源码索引

主题	文件	约略行号
kmem_cache_alloc	slub.c	3420
___slab_alloc	slub.c	3100–3260
__slab_free	slub.c	3459
kmem_cache_init	slub.c	4818
kmalloc caches	slab_common.c	869