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SLUB

多年以来,Linux 内核使用一种称为SLAB 的内核对象缓冲区分配器。但是,随着系统规模的不断增大,SLAB 逐渐暴露出自身的诸多不足。SLUB 是 Linux 内核 2.6.22 版本中引入的一种新型分配器,它具有设计简单、代码精简、额外内存占用率小、扩展性高,性能优秀、方便调试等特点。

SLUB设计原理

SLAB 分配器多年以来一直位于 Linux 内核的内存管理部分的核心地带,内核黑客们一般不愿意主动去更改它的代码,因为它实在是非常复杂,而且在大多数情况下,它的工作完成的相当不错。但是,随着大规模多处理器系统和 NUMA系统的广泛应用,SLAB 分配器逐渐暴露出自身的严重不足:

较多复杂的队列管理。在 SLAB 分配器中存在众多的队列,例如针对处理器的本地对象缓存队列,slab 中空闲对象队列,每个 slab 处于一个特定状态的队列中,甚至缓冲区控制结构也处于一个队列之中。有效地管理这些不同的队列是一件费力且复杂的工作。slab 管理数据和队列的存储开销比较大。每个 slab 需要一个 struct slab 数据结构和一个管理所有空闲对象的 kmem_bufctl_t(4 字节的无符号整数)的数组。当对象体积较少时,kmem_bufctl_t 数组将造成较大的开销(比如对象大小为32字节时,将浪费 1/8 的空间)。为了使得对象在硬件高速缓存中对齐和使用着色策略,还必须浪费额外的内存。同时,缓冲区针对节点和处理器的队列也会浪费不少内存。测试表明在一个 1000 节点/处理器的大规模 NUMA 系统中,数 GB 内存被用来维护队列和对象的引用。缓冲区内存回收比较复杂。对 NUMA 的支持非常复杂。SLAB 对 NUMA 的支持基于物理页框分配器,无法细粒度地使用对象,因此不能保证处理器级缓存的对象来自同一节点。冗余的 Partial 队列。SLAB 分配器针对每个节点都有一个 Partial 队列,随着时间流逝,将有大量的 Partial slab 产生,不利于内存的合理使用。性能调优比较困难。针对每个 slab 可以调整的参数比较复杂,而且分配处理器本地缓存时,不得不使用自旋锁。调试功能比较难于使用。

为了解决以上 SLAB 分配器的不足之处,内核开发人员 Christoph Lameter 在 Linux 内核 2.6.22 版本中引入一种新的解决方案:SLUB 分配器。SLUB 分配器特点是简化设计理念,同时保留 SLAB 分配器的基本思想:每个缓冲区由多个小的 slab 组成,每个 slab 包含固定数目的对象。SLUB 分配器简化了kmem_cache,slab 等相关的管理数据结构,摒弃了SLAB 分配器中众多的队列概念,并针对多处理器、NUMA 系统进行优化,从而提高了性能和可扩展性并降低了内存的浪费。为了保证内核其它模块能够无缝迁移到 SLUB 分配器,SLUB 还保留了原有 SLAB 分配器所有的接口 API 函数。

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