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內(nèi)核對(duì)象緩沖區(qū)管理

Linux 內(nèi)核在運(yùn)行過程中，常常會(huì)需要經(jīng)常使用一些內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（對(duì)象）。例如，當(dāng)進(jìn)程的某個(gè)線程第一次打開一個(gè)文件的時(shí)候，內(nèi)核需要為該文件分配一個(gè)稱為 file 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；當(dāng)該文件被最終關(guān)閉的時(shí)候，內(nèi)核必須釋放此文件所關(guān)聯(lián)的 file 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這些小塊存儲(chǔ)空間并不只在某個(gè)內(nèi)核函數(shù)的內(nèi)部使用，否則就可以使用當(dāng)前線程的內(nèi)核棧空間。同時(shí)，這些小塊存儲(chǔ)空間又是動(dòng)態(tài)變化的，不可能像物理內(nèi)存頁(yè)面管理使用的 page 結(jié)構(gòu)那樣，有多大內(nèi)存就有多少個(gè) page 結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)靜態(tài)長(zhǎng)度的隊(duì)列。而且由于內(nèi)核無法預(yù)測(cè)運(yùn)行中各種不同的內(nèi)核對(duì)象對(duì)緩沖區(qū)的需求，因此不適合為每一種可能用到的對(duì)象建立一個(gè)“緩沖池”，因?yàn)槟菢拥脑捄芸赡艹霈F(xiàn)有些緩沖池已經(jīng)耗盡而有些緩沖池中卻又大量空閑緩沖區(qū)的現(xiàn)象。因此，內(nèi)核只能采取更全局性的方法。

我們可以看出，內(nèi)核對(duì)象的管理與用戶進(jìn)程中的堆管理比較相似，核心問題均是：如何高效地管理內(nèi)存空間，使得可以快速地進(jìn)行對(duì)象的分配和回收并減少內(nèi)存碎片。但是內(nèi)核不能簡(jiǎn)單地采用用戶進(jìn)程的基于堆的內(nèi)存分配算法，這是因?yàn)閮?nèi)核對(duì)其對(duì)象的使用具有以下特殊性：

內(nèi)核使用的對(duì)象種類繁多，應(yīng)該采用一種統(tǒng)一的高效管理方法。

內(nèi)核對(duì)某些對(duì)象（如 task_struct）的使用是非常頻繁的，所以用戶進(jìn)程堆管理常用的基于搜索的分配算法比如First-Fit（在堆中搜索到的第一個(gè)滿足請(qǐng)求的內(nèi)存塊）和 Best-Fit（使用堆中滿足請(qǐng)求的最合適的內(nèi)存塊）并不直接適用，而應(yīng)該采用某種緩沖區(qū)的機(jī)制。

內(nèi)核對(duì)象中相當(dāng)一部分成員需要某些特殊的初始化（例如隊(duì)列頭部）而并非簡(jiǎn)單地清成全 0。如果能充分重用已被釋放的對(duì)象使得下次分配時(shí)無需初始化，那么可以提高內(nèi)核的運(yùn)行效率。

分配器對(duì)內(nèi)核對(duì)象緩沖區(qū)的組織和管理必須充分考慮對(duì)硬件高速緩存的影響。

隨著共享內(nèi)存的多處理器系統(tǒng)的普及，多處理器同時(shí)分配某種類型對(duì)象的現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，因此分配器應(yīng)該盡量避免處理器間同步的開銷，應(yīng)采用某種 Lock-Free 的算法。

如何有效地管理緩沖區(qū)空間，長(zhǎng)期以來都是一個(gè)熱門的研究課題。90 年代初期，在 Solaris 2.4 操作系統(tǒng)中，采用了一種稱為“slab”（原意是大塊的混凝土）的緩沖區(qū)分配和管理方法，在相當(dāng)程度上滿足了內(nèi)核的特殊需求。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Linux(内核和用户态的)动态内存管理的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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