1 引言

? 眾所周知，操作系統(tǒng)使用伙伴系統(tǒng)管理內(nèi)存，不僅會造成大量的內(nèi)存碎片，同時處理效率也較低下。SLAB是一種內(nèi)存管理機(jī)制，其擁有較高的處理效率，同時也有效的避免內(nèi)存碎片的產(chǎn)生，其核心思想是預(yù)分配。其按照SIZE對內(nèi)存進(jìn)行分類管理的，當(dāng)申請一塊大小為SIZE的內(nèi)存時，分配器就從SIZE集合中分配一個內(nèi)存塊(BLOCK)出去，當(dāng)釋放一個大小為SIZE的內(nèi)存時，則將該內(nèi)存塊放回到原有集合，而不是釋放給操作系統(tǒng)。當(dāng)又要申請相同大小的內(nèi)存時，可以復(fù)用之前被回收的內(nèi)存塊(BLOCK)，從而避免了內(nèi)存碎片的產(chǎn)生。[注：因SLAB處理過程的細(xì)節(jié)較多，在此只是做一個原理上的講解]

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2 總體結(jié)構(gòu)

圖1 SLAB內(nèi)存結(jié)構(gòu)

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3 處理流程

如圖1中所示：SLAB管理機(jī)制將內(nèi)存大體上分為SLAB頭、SLOT數(shù)組、PAGES數(shù)組、可分配空間、被浪費(fèi)空間等模塊進(jìn)行分別管理，其中各模塊的功能和作用：

• SLAB頭：包含SLAB管理的匯總信息，如最小分配單元(min_size)、最小分配單元對應(yīng)的位移(min_shift)、頁數(shù)組地址(pages)、空閑頁鏈表(free)、可分配空間的起始地址(start)、內(nèi)存塊結(jié)束地址(end)等等信息(如代碼1所示)，在內(nèi)存的管理過程中，內(nèi)存的分配、回收、定位等等操作都依賴于這些數(shù)據(jù)。
• SLOT數(shù)組：SLOT數(shù)組各成員分別負(fù)責(zé)固定大小的內(nèi)存塊(BLOCK)的分配和回收。在nginx中SLOT[0]~SLOT[7]分別負(fù)責(zé)區(qū)間在[1~8]、[9~16]、[17~32]、[33~64]、[65~128]、[129~256]、[257~512]、[513~1024]字節(jié)大小內(nèi)存的分配，但為方便內(nèi)存塊(BLOCK)的分配和回收，每個內(nèi)存塊(BLOCK)的大小為各區(qū)間的上限(8、16、32、64、128、256、512、1024)。比如說：假如應(yīng)用進(jìn)程請求申請5個字節(jié)的空間，因5處在[1~8]的區(qū)間內(nèi)，因此由SLOT[0]負(fù)責(zé)該內(nèi)存的分配，但區(qū)間[1~8]的上限為8，因此即使申請5個字節(jié)，卻依然分配8字節(jié)給應(yīng)用進(jìn)程。以此類推：假如申請12字節(jié)，12處于區(qū)間[9~16]之間，取上限16，因此由SLOT[1]分配16個字節(jié)給應(yīng)用進(jìn)程；假如申請50字節(jié)，50處于區(qū)間[33~64]之間，取上限64，因此由SLOT[2]分配64個字節(jié)給應(yīng)用進(jìn)程；假如申請84字節(jié)，84處于區(qū)間[65~128]之間，取上限128，因此由SLOT[3]分配128個字節(jié)；...；假如申請722字節(jié)，722處于區(qū)間[513~1024]之間，取上限1024，因此由SLOT[7]分配1024字節(jié)。
• PAGES數(shù)組：PAGES數(shù)組各成員分別負(fù)責(zé)可分配空間中各頁的查詢、分配和回收，其處理流程可參考3.2節(jié)的說明。
• 可分配空間：SLAB在邏輯上將可分配空間劃分成M個內(nèi)存頁，每頁大小為4K。每頁內(nèi)存與PAGES數(shù)組成員一一對應(yīng)，由PAGES數(shù)組各成員負(fù)責(zé)各內(nèi)存頁的分配和回收。
• 被浪費(fèi)空間：按照每頁4K的大小對空間進(jìn)行劃分時，滿足4K的空間，將作為可分配空間被PAGES數(shù)組進(jìn)行管理，而最后剩余的不足4K的內(nèi)存將會被舍棄，也就是被浪費(fèi)了！

3.1 初始化流程

? 初始化階段主要完成對SLOT頭、SLOT數(shù)組、PAGES數(shù)組、可分配空間和被浪費(fèi)空間的區(qū)域分化，各區(qū)域的劃分可參考圖1和各模塊功能的說明。nginx中slab結(jié)構(gòu)體如下所示：

[cpp]?view plaincopy print?

typedef?struct?{??

????size_t????????????min_size;?????/*?最小分配單元?*/??

????size_t????????????min_shift;????/*?最小分配單元對應(yīng)的位移?*/??

??

????ngx_slab_page_t??*pages;????????/*?頁數(shù)組?*/??

????ngx_slab_page_t???free;?????????/*?空閑頁鏈表?*/??

??

????u_char???????????*start;????????/*?可分配空間的起始地址?*/??

????u_char???????????*end;??????????/*?內(nèi)存塊的結(jié)束地址?*/??

??

????...?????????????????????????????/*?其他變量成員（省略）?*/??

}ngx_slab_pool_t??

代碼1 SLAB頭部結(jié)構(gòu)體

3.2 頁的管理

3.2.1 頁的分配

1)分配之前

? 在SLAB初始化之后，所有頁可以看成是一個連續(xù)的整體，其內(nèi)存結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖2 頁的結(jié)構(gòu)（分配之前）

2)申請一頁

? 當(dāng)申請一頁時，則將pages[0]從free鏈表中分離出去，如下圖所示：

圖3 頁的結(jié)構(gòu)（申請一頁）

3)申請二頁

? 當(dāng)再申請二頁時，則將page[3]和pages[4]作為一個整體從free鏈表中分離出去，如下圖所示：

圖4 頁的結(jié)構(gòu)（申請二頁）

3.2.2 頁的回收

1)回收一頁

? 當(dāng)頁被回收時，被回收的頁并不會和未被分配的頁進(jìn)行合并，而是通過鏈表串聯(lián)起來，這樣將造成運(yùn)行的時間越長，要申請到超過一頁大小的空間也會變得越來越難。正是因?yàn)檫@個原因，所以slab機(jī)制不適合用來反復(fù)分配和回收超過一頁大小的內(nèi)存空間。如下圖所示：[切記:slab機(jī)制不適合用來反復(fù)分配和回收超過一頁大小的內(nèi)存空間]

圖5 頁的結(jié)構(gòu)（回收一頁）

2)回收二頁

? 當(dāng)頁被回收時，被回收的頁并不會和未被分配的頁進(jìn)行合并，而是通過鏈表串聯(lián)起來，如下圖所示：

圖6 頁的結(jié)構(gòu)（回收二頁）

3.4 SLOT的管理

? SLOT數(shù)組的作用可以參考第三章開頭的闡述。SLOT數(shù)組各成員相當(dāng)于鏈表頭，在SLOT的分配和回收過程中，通過鏈表來組織用于分配各SIZE（1~1024）的PAGE。如，在某時刻，可能存在如下狀態(tài)：

圖7? SLOT和PAGES的關(guān)系

3.4.1 頁的管理

1)初始狀態(tài)

? 在SLAB初始化后，slot鏈表頭的下一個節(jié)點(diǎn)都為NULL，如下圖所示：

圖8 SLOT初始狀態(tài)

2)添加一頁

? SLOT[2]負(fù)責(zé)32（17~32）字節(jié)空間的分配和回收，假設(shè)現(xiàn)申請分配24字節(jié)（17~32之間）的空間，因此將從slot[2]中分配。但在初始狀態(tài)下slot[2]的下一頁為NULL，因此需要向頁管理模塊申請一頁pages[x]內(nèi)存，再將該頁加入到slot[2]的鏈表中，添加之后的內(nèi)存結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖9 slot[2]增加一頁

3)暫離鏈表

? SLOT[2]中的每一頁有128（4K/32=128）個單元，當(dāng)一頁分配了128次時，表示該頁可分配單元分配完畢，此時該頁將會暫時從鏈表中剔除出去，以防止下次申請時，做無效的遍歷。如下圖所示：

圖10 slot[2]第一頁被使用完

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4)再添一頁

? 當(dāng)再次申請17~32字節(jié)時，此時slot[2]的后續(xù)鏈表為空，因此需要再次向頁管理申請一頁pages[y]內(nèi)存，再將該頁加入到slot[2]的鏈表中，如下圖所示。如果該頁又被分配完，則進(jìn)行3）的處理。

圖11 slot[2]再添一頁

5)重入鏈表

? 當(dāng)所有單元被用完的頁pages[x]中的一個單元被回收時，頁pages[x]中將有1個單元可以再次被分配使用，此時應(yīng)該將pages[x]重新加入到slot[2]的鏈表中，以便下次分配時可以從頁pages[x]中進(jìn)行查找。此時內(nèi)存組織形式如下圖所示：

圖12 頁pages[x]重入鏈表

6)回收整頁

? 當(dāng)頁pages[x]所有單元被釋放后，則該頁將會被全部回收：該頁將從slot[2]的鏈表中被剔除，并將頁pages[x]重新加入到free鏈表。此時的內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

圖13 回收頁pages[x]

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3.4.2 SLOT的分配

1)頁內(nèi)結(jié)構(gòu)

? 被加入到SLOT數(shù)組鏈表的頁在邏輯上劃分為很多的內(nèi)存單元，每一小內(nèi)存單元的使用情況是通過位圖進(jìn)行標(biāo)記的，1表示被占用，0表示未被占用。如：第20位bit的值為1時，表示第20個內(nèi)存單元被占用。假如此SLOT鏈表的PAGE正好可以劃分為32塊，則其邏輯組織結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖14 PAGE內(nèi)結(jié)構(gòu)

2)分配單元

? 假如此時在SLOT[s]鏈表的頁中連續(xù)申請4個內(nèi)存單元，則其前4個內(nèi)存單元將首先被占用，則此時的位圖結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖15 分配單元

3) 釋放單元

? 假如此時釋放SLOT[s]鏈表頁中第3個內(nèi)存單元，則此時的位圖結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖16 釋放單元

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轉(zhuǎn)自："祁峰"的CSDN博客

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/zl1991/p/8335908.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的NGINX原理 之 SLAB分配机制（转）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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