摘 要： 為降低嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存管理開銷，提升內(nèi)存分配效率，詳細(xì)分析了slab分配器機(jī)制并指出其不足，給出相應(yīng)的改進(jìn)措施，提出了基于e_slab算法的內(nèi)存分配器。實驗表明，e_slab算法不僅簡化了內(nèi)存管理結(jié)構(gòu)，而且提高了內(nèi)存分配效率。
關(guān)鍵詞： slab；e_slab；嵌入式系統(tǒng)；cache
隨著硬件技術(shù)的發(fā)展和內(nèi)存容量的擴(kuò)大，操作系統(tǒng)中內(nèi)存管理技術(shù)日趨完善。但是在嵌入式領(lǐng)域中，硬件性能和內(nèi)存容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于PC機(jī)，其內(nèi)存管理受到多種因素制約，若直接采用操作系統(tǒng)中的內(nèi)存管理技術(shù)，不僅難以達(dá)到預(yù)期效果，而且會影響嵌入式系統(tǒng)的性能。
在嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存管理設(shè)計過程中，發(fā)現(xiàn)操作系統(tǒng)中的slab分配器雖然在PC機(jī)上有良好的性能，但是在嵌入式系統(tǒng)中不但不能發(fā)揮其優(yōu)勢，還降低了系統(tǒng)的整體性能。本文通過分析，指出了slab分配器的不足，并給出相應(yīng)的解決方案。實驗結(jié)果表明，slab分配器經(jīng)過改進(jìn)可適用于嵌入式系統(tǒng)。
1 slab分配器分析
操作系統(tǒng)內(nèi)核運行時會頻繁地為某些對象分配內(nèi)存空間，而這些對象往往只需要幾十或幾百KB的空間，如果直接采用頁面管理器進(jìn)行內(nèi)存分配，將產(chǎn)生很多內(nèi)存碎片，造成嚴(yán)重的內(nèi)存浪費。slab分配器支持細(xì)粒度的內(nèi)存分配，較好地解決了此問題。由于性能優(yōu)越，slab被Linux、FreeBSD等操作系統(tǒng)采用，是目前應(yīng)用最廣的內(nèi)核內(nèi)存管理器之一[1]。
1.1 slab分配器設(shè)計思想
基于頁面分配器[2]，將一頁或幾頁的內(nèi)存組織起來，劃分成一定數(shù)量的小塊內(nèi)存，這種連續(xù)的頁面稱之為slab。它為內(nèi)核中使用頻繁的對象建立專門的緩沖區(qū)(cache)，每種類型的對象都有自己專用的cache[2]。一個cache管理著多個slab，每個slab又管理著多個對象。slab的大小與所管理對象的大小有關(guān)。根據(jù)slab管理對象的分配情況，可將每個cache中的slab分為3類[3-4]：(1)slab管理的對象已經(jīng)完全分配，沒有空閑的對象；(2)slab管理的對象部分分配，還有部分空閑對象；(3)slab中的對象都未分配，都是空閑對象。
不同的slab分別放入不同的隊列中，即每個cache管理3個slab隊列，cache與cache之間的關(guān)系如圖1虛框①內(nèi)所示，cache與slab的關(guān)系如圖1虛框②內(nèi)所示。
當(dāng)slab分配器接收到內(nèi)存申請時，根據(jù)所申請內(nèi)存的大小找到合適的cache，從cache管理的第二類slab中分配對象，若失敗則從第三類slab中分配對象，若還不成功則說明cache中沒有空閑對象，須為cache創(chuàng)建一個新的slab，從新的slab中分配空閑對象。
對象釋放過程中，不僅要清空對象占用的空間，而且還要調(diào)整對象所屬slab的狀態(tài)，判斷是否改變此slab在cache中的位置。
slab分配器采用著色機(jī)制將不同slab中的對象放入不同的偏移處，利用硬件高速緩存的映射機(jī)制，將頁的不同偏移映射到硬件緩存的不同地址。而每個slab的開始部分訪問頻率最高，只要slab中起始對象的偏移不同則映射到硬件高速緩存的位置就不同，從而降低了頻繁換入換出的性能損失[4-5]。
1.2 slab分配器在嵌入式系統(tǒng)中的缺陷
slab分配器雖然能解決系統(tǒng)對小塊內(nèi)存的頻繁需求，但是管理結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)存分配策略開銷較大。在內(nèi)存受限的嵌入式系統(tǒng)中，slab的缺陷大大影響了系統(tǒng)的整體性能。總之，slab分配器存在以下三方面的缺陷：
(1)slab管理結(jié)構(gòu)和存儲開銷較大
每個slab由slab描述結(jié)構(gòu)、管理空閑對象的整型數(shù)組和對象三部分組成，整型數(shù)組把slab中空閑對象組成一個順序隊列，數(shù)組大小與對象數(shù)有關(guān)，每個對象對應(yīng)一個整數(shù)，如圖2所示。當(dāng)對象較小時，整型數(shù)組將造成較大的內(nèi)存開銷。
(2)cache結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且數(shù)量較多
系統(tǒng)中存在著專用對象和通用對象。專用對象專門存儲特定用途的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如CPU、文件系統(tǒng)等，其數(shù)量與系統(tǒng)密切相關(guān)；通用對象用來存儲一般的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，大小在幾十KB到幾千KB之間（一般為2的整次冪字節(jié)），有十多種。不管是專用對象還是通用對象，slab分配器都為其建立了一個cache結(jié)構(gòu)，眾多cache組織和管理的較大開銷是嵌入式系統(tǒng)難以承受的。
(3)復(fù)雜的隊列管理
如圖1所示，slab分配器中存在較多的隊列，每個cache管理著3個slab隊列，每個slab隊列與cache組成循環(huán)隊列。所有的cache組成雙向循環(huán)隊列。面對眾多的隊列，如何有效地管理是很困難的。
1.3 slab在嵌入式系統(tǒng)中的改進(jìn)
針對上節(jié)中slab分配器的三點缺陷，給出相應(yīng)的改進(jìn)方案。
(1)改進(jìn)slab結(jié)構(gòu)
針對slab中對象管理數(shù)組開銷過大的問題，可以將多個不同的slab合并成一個slab，從而減少slab的數(shù)量，即一個slab管理對象的大小可在一個小范圍內(nèi)浮動。由于slab中對象大小不同，無法確定slab中對象的大小、數(shù)量和位置，所以必須重新設(shè)置slab結(jié)構(gòu)。
(2)限制slab分配器管理的內(nèi)存粒度范圍
由于內(nèi)核內(nèi)存管理器主要負(fù)責(zé)細(xì)粒度的內(nèi)存管理，所以限制所管理對象的大小。對于大塊內(nèi)存的申請，直接由頁面分配器處理。
(3)精簡隊列管理
簡化cache中繁雜的隊列，將cache中的前兩個slab隊列合并成一個隊列。
本文將經(jīng)過上述三方面改進(jìn)的分配器稱之為e_slab分配器。
2 e_slab分配器設(shè)計
2.1 基本管理結(jié)構(gòu)
e_slab分配器有3個重要的基本結(jié)構(gòu)，下面分別對其作相關(guān)介紹。
(1)object_t結(jié)構(gòu)
typedef struct object {
unsigned long size;
unsigned long offset;
} object_t;
object_t是描述對象的基本結(jié)構(gòu)，每個對象對應(yīng)一個object_t結(jié)構(gòu)，它描述了對象的大小和下一個空閑對象的地址。
(2)e_slab_t結(jié)構(gòu)
typedef struct e_slab _s {
struct list_head list;
void *s_mem;
unsigned int units;
unsigned int free;
} e_slab _t;
e_slab _t是管理對象的基本結(jié)構(gòu)，它不僅描述了本結(jié)構(gòu)的頁塊起始地址，而且存儲了空閑對象的數(shù)量和地址等信息。
object_t、e_slab _t和對象結(jié)構(gòu)如圖3虛框②內(nèi)所示。
(3)cache結(jié)構(gòu)
typedef struct cache_s {
struct list_head next;
struct list_head slab_list;
unsigned int objsize;
unsigned int gfporder;
unsigned int num;
…
} cache_t;
cache的描述結(jié)構(gòu)為cache_t，它主要描述了所管e_slab的基本信息。由于cache_t結(jié)構(gòu)大小相同，可把cache_t看做一個專用對象，所有的cache組織在一起。
cache管理的所有e_slab被加入到list隊列。把管理所有cache的結(jié)構(gòu)稱之為cache_cache。cache_cache與cache之間有兩種關(guān)系：一種是雙向隊列關(guān)系，如圖3虛框①內(nèi)所示，cache_cache利用雙向鏈表將系統(tǒng)中所有的cache(包括專用cache和通用cache)組成循環(huán)隊列；一種是cache與對象之間的關(guān)系。
2.2 e_slab分配器初始化
e_slab分配器初始化主要完成cache、e_slab_t等結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建，為對象的分配做好準(zhǔn)備。
2.2.1 cache的創(chuàng)建
cache_cache是系統(tǒng)中所有cache的管理者，它的創(chuàng)建優(yōu)先于所有的cache。系統(tǒng)會為每種對象創(chuàng)建一個cache，創(chuàng)建流程如下：
(1)申請一個cache空間。從cache_cache中分配一個專用對象，即cache。設(shè)置cache中的各個域，包括管理的對象大小的上限和e_slab大小，其中e_slab大小與對象大小有關(guān)。
(2)將此cache加入管理隊列。將cache加入cache_
cache組成的雙向隊列中，雙向隊列采用通用鏈表鏈接所有的cache。
(3)將cache加入分配隊列。用一個全局的cache指針指向生成的cache。
2.2.2 e_slab的創(chuàng)建
在cache的創(chuàng)建過程中，需為每個cache創(chuàng)建一個e_slab。e_slab中的對象全部空閑，可供分配，其流程如下：
(1)借助頁面分配器申請連續(xù)物理頁面。根據(jù)e_slab申請的大小和是否有DMA請求，在相應(yīng)的內(nèi)存區(qū)申請連續(xù)頁塊。
(2)設(shè)置頁面屬性。主要設(shè)置該頁面的e_slab標(biāo)志，并將該頁塊與cache和e_slab關(guān)聯(lián)。
(3)設(shè)置e_slab描述結(jié)構(gòu)，初始化對象結(jié)構(gòu)。
2.3 對象的分配與釋放
對象的分配與釋放是內(nèi)存管理模塊提供的兩個基本接口。
2.3.1 對象的分配
當(dāng)系統(tǒng)需要小內(nèi)存塊或者專用對象時，系統(tǒng)會調(diào)用對象分配操作，完成對對象的分配，具體流程如圖4所示。
(1)找到對應(yīng)的cache。根據(jù)申請對象的大小定位相應(yīng)的cache。
(2)確定對應(yīng)的e_slab。檢查cache中的e_slab，找到滿足本次請求的e_slab，如果所有的e_slab均不能滿足，則創(chuàng)建一個新的e_slab并添加到cache管理的隊列中。
(3)從e_slab中分配一個空閑對象。從e_slab為系統(tǒng)分配一個空閑對象和object_t結(jié)構(gòu)，將對象返還給系統(tǒng)，調(diào)整e_slab中對象，管理數(shù)組結(jié)構(gòu)。
2.3.2 對象的釋放
系統(tǒng)使用完對象后，應(yīng)及時釋放對象，否則內(nèi)存會越用越少。對象釋放流程如圖5所示。
(1)確定對象對應(yīng)的cache與e_slab。根據(jù)對象的地址可以獲得所在頁面的描述符結(jié)構(gòu)，從而獲得對應(yīng)的cache和e_slab。
(2)釋放對象。獲得對象在e_slab中的偏移，采用頭插法將對象加入空閑對象隊列，并使e_slab中空閑內(nèi)存增加釋放值。
(3)e_slab的調(diào)整。檢查e_slab中空閑內(nèi)存大小，若等于e_slab中所有對象都釋放，則清除頁面的e_slab標(biāo)志，并把e_slab占用頁塊歸還給物理內(nèi)存管理器。
2.4 e_slab分配器的回收
在系統(tǒng)退出、內(nèi)存回收等不再需要e_slab分配器時，需進(jìn)行e_slab分配器的回收,主要完成e_slab的釋放和cache的釋放。
2.4.1 e_slab的釋放
在對象釋放過程中，若發(fā)現(xiàn)某個e_slab已經(jīng)全部空閑，沒有分配的對象，則將其釋放，流程如下：
(1)將e_slab從cache結(jié)構(gòu)中刪除。e_slab從cache的list隊列中摘掉。
(2)清除頁面標(biāo)志。將e_slab所在物理頁面的e_slab標(biāo)志清除，并清除頁面與e_slab和cache的關(guān)聯(lián)，使頁面回到初始狀態(tài)。
2.4.2 cache的釋放
當(dāng)系統(tǒng)不再使用某種對象時，系統(tǒng)要銷毀管理對象的cache。cache銷毀流程如下：
(1)將cache從管理隊列摘掉。將cache從cache_cache組成的雙向隊列中刪除。
(2)確定cache中沒有e_slab。在cache銷毀前，必須確定所管理的對象都已釋放，檢查cache的list隊列，為空則cache中沒有e_slab，否則進(jìn)行e_slab釋放。
(3)釋放cache結(jié)構(gòu)占用的內(nèi)存。由于cache是cache_
cache管理的對象，cache結(jié)構(gòu)的釋放過程就是對象的釋放過程。
3 性能測試
在嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存管理設(shè)計過程中，分別采用頁面分配器與slab分配器相結(jié)合的方案和頁面分配器與e_slab分配器相結(jié)合的方案，比較兩種方案中slab和e_slab管理結(jié)構(gòu)的內(nèi)存占用量和內(nèi)存分配釋放中的性能。
在管理結(jié)構(gòu)內(nèi)存占用方面，e_slab比slab節(jié)省了43%的空間；在對象的內(nèi)存申請過程中，e_slab的速度比slab快8%；內(nèi)存釋放過程中，e_slab比slab快5%。可見，不管在時間上還是空間上，e_slab性能都比slab優(yōu)越。
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