slab分配器（3）：slab内存申请和释放

void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *s, gfp_t gfpflags)
{
	void *ret = slab_alloc(s, gfpflags, _RET_IP_);

	trace_kmem_cache_alloc(_RET_IP_, ret, s->object_size,
				s->size, gfpflags);

	return ret;
}


static __always_inline void *slab_alloc(struct kmem_cache *s,
		gfp_t gfpflags, unsigned long addr)
{
	return slab_alloc_node(s, gfpflags, NUMA_NO_NODE, addr);
}

https://elixir.bootlin.com/linux/v5.4.285/source/mm/slub.c#L2822

可以看到，核心函数是

https://elixir.bootlin.com/linux/v5.4.285/source/mm/slub.c#L2727

二、关键代码逻辑分解

struct kmem_cache用s表示

struct kmem_cache_cpu用c表示

struct kmem_cache_node用n表示

slub内存申请逻辑包括快速通道和慢速通道。我们把slub的申请速度由快到慢分为以下5个速度级别，L1速度最快，L5速度最慢。

1. 从c->freelist获取obj为L1
2. 从c->page获取obj为L2
3. 从c->partial获取obj为L3
4. 从n->parital获取obj为L4
5. 从alloc_pages中获取obj为L5

下面结合源码依次分析slub的申请流程:

• L5路径

刚开始无slub缓存，走慢速路径，最慢速的路径只能从伙伴系统中申请一个slub。会调用new_slab函数申请一个slab，并填充page中freelist=start，page->inuse=page->objects，page->frozen=1;同时填充obj为单向链表，然后迁移到c->freelist中，同时page->freelist=NULL,然后返回第一个空闲的object。

• L1路径

L1路径即c->freelist!=NULL，则直接从c->freelist拿一个obj。

如果第一个slub通过慢慢申请殆尽，需要重新申请个slub，老的slub游离，同时把该slub的page->frozen=0

• L2路径

随着slub中的object申请释放，c->freelist的object为NULL，而c->page!=NULL，此时需要从c->page->freelist迁移到c->freelist中，在slab_alloc_node函数中判断c->freelist为NULL，未关中断，则进入__slab_alloc函数中，在此函数中local_irq_save关中断，此时有可能c->freelist被释放了，因此在___slab_alloc函数中判断c->page不为空，此时还需要判断c->freelist，如果不为空，则从c->freelist中获取obj，如果为空，则通过freelist =get_freelist(s, page)函数获取。重点看下get_freelist函数

1. ​预处理与事务同步

s = slab_pre_alloc_hook(s, gfpflags);

• 作用：调用预处理钩子函数，可能涉及内存控制组（memcg）的检查或调试功能（如KASAN）
• 返回值 ：若缓存无效（如被销毁），则直接返回NULL。

2. ​事务ID与CPU缓存同步

do {
    tid = this_cpu_read(s->cpu_slab->tid);
    c = raw_cpu_ptr(s->cpu_slab);
} while (IS_ENABLED(CONFIG_PREEMPT) && unlikely(tid != READ_ONCE(c->tid)));

• 关键机制 ：
  • 事务ID（tid）​：全局唯一性标识，用于检测并发操作（如抢占导致缓存状态变化）
  • 循环检查 ：在启用抢占（CONFIG_PREEMPT）时，确保读取的tid与当前CPU缓存的tid一致，避免因线程切换导致数据不一致

3. ​内存屏障与操作顺序保证

barrier();

• 作用 ：确保在读取c->freelist和c->page前，tid的加载操作已完成，防止乱序执行引发竞态条件

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4、后处理与安全性

maybe_wipe_obj_freeptr(s, object);
if (unlikely(slab_want_init_on_alloc(...)))
    memset(object, 0, s->object_size);
slab_post_alloc_hook(s, gfpflags, 1, &object);

• 关键操作 ：
  • 擦除空闲指针：防止信息泄漏（如KASAN检测）
  • 对象初始化 ：根据__GFP_ZERO标志清零对象内存。
  • 后处理钩子：更新内存统计、调试信息或触发内存回收

ref：

内存管理之slub

图解slub