本文动画主题是围绕linux内存管理中的slab机制展开
先看这个动画，如果您觉得还不错，希望您能多花十几分钟读完全文。
内核patch
linux内核经过几十年的迭代发展，内核的已经越发复杂了，使得很多人学习起来很痛苦。
如何减少学习内核的痛苦？
一：追本溯源。所有的复杂事物，不是天生就复杂的，必然经过多次版本的迭代，慢慢变复杂的，那么找到其简单版本开始研究，就非常有必要了。
二: 代码设计还原。在研究代码时，一定要边读代码边梳理数据结构与算法，等到弄清楚每个结构体的含义和功能，掌握算法的基本原理，则在脑海中已经还原了作者的设计意图，对每一处的代码细节都无比熟悉。
slab机制是什么？
内存管理的一种算法，其核心思想是以对象的观点来管理内存
slab机制有什么用？
linux内核之所以存在slab机制，是因为它需要管理cpu处理器上的内存。但是内核作为日理万机的boss，自然没法时时为内存管理操心。于是便设置了大小两类管家帮助它进行内存管理。
其中，slab机制就属于小管家，本质上就是专门管理内存的。更具体来说，当你需要在linux内核里面申请4k（一个页大小）以下的内存使用的时候，就可以向slab机制这个小管家要内存。
大家要谨记，slab机制的旨就是避免频繁地分配和释放页，它可以充当linux的各种数据结构的缓存池，这类缓存池我们可以称之为专用缓存池。当然，它还可以作为另外一种缓存池，其特点是以2的n次方为单位，我们称之为通用缓存池。其中，各种数据结构和2的n次方单位，我们抽象地泛称之为slab对象。
slab机制原理
slab机制在内核中经过了多个版本的迭代，我们从最原始版本开始讲解。slab机制在内核mm/slab.c目录下实现，该文件最早由linus在Linux-2.6.12-rc2版本提交，时间为2005-04-16，commitid为1da177e4c3f4。
我们先来梳理一下各个主要的数据结构的含义及其关系，切记不要死记硬背，有个基本印象即可，主要的还是通过不断阅读代码来逐渐加深印象。
相关结构体
slab机制涉及到的主要几个结构体，关系如下图所示：
从图中可以观察出来，一个高速缓存描述符管理负责管理多个slab描述符，而一个slab描述符，就是slab对象最小的管理单位。
图中还有两种slab对象缓存池，这是因为slab描述符在分配slab对象的时候，有可能会涉及到页的分配和链表的移动，为了提供slab对象分配效率，就为每个cpu设置了一个slab对象缓存池，将来在分配slab对象的时候优先从本地cpu缓存池中进行分配。而共享对象缓存池则是为了解决不同cpu上slab对象分配不均的情况，当某个cpu缓存池上，slab对象被耗光的时候，优先从共享缓存池进行分配，而slab对象超过限制数量时，优先释放到共享缓存池中。
高速缓存描述符
kmem_cache_s or kmem_cache_t这个结构体成员变量很多，但是大家不需要担心，在下面的源码分析里面，我们会逐渐弄明白每个变量的含义。
无论是哪种缓存池，它都是通过kmem_cache_s结构体来进行管理，该结构体把它叫做高速缓存描述符。
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array：struct array_cache的数据结构，每个cpu一个，表示本地cpu的对象缓存池。
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batchcount:表示当前cpu的本地缓冲池对象为空时，一次性补充的数量
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limit: 本地高速缓存中空闲对象的最大数目，便于内核回收和销毁slab。
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lists: 这个字段包含三个链表头，其中链表头对应slab描述符所处的三种状态之一：部分空闲状态、完全空闲状态和满状态。
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objsize: 缓冲池中对象的大小。
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flags: 描述缓冲池属性的一组标志。
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num:一个slab中的对象个数。
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free_limit: 该高速缓存描述符中所有空闲对象的数量上限，大于此数量的空闲对象将被系统回收内存。
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spinlock：自旋锁。
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gfporder:一个slab描述符中占用2^gpforder个页面。
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gfpflags:分配页框时传递给伙伴系统函数的一组标志
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colour:可供slab对象数进行偏移处理(此动作称为着色)的数量
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colour_off：slab对象为了尽可能避免处在在同一cache line，需要做偏移，此值为偏移单位
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colour_next:slab对象数进行偏移处理时，每个slab需要记录其偏移的编号，便于计算实际偏移值
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slabp_cache:指针指向slab描述符的普通slab高速缓存(slab描述符可在salb对象内，也可在slab对象之外)
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slab_size:slab描述符管理slab对象所需的大小
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dflags:描述slab缓存动态属性的一组标志
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ctor：构造函数
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dtor：析构函数
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name: slab描述符的名称
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next：slab描述符链表节点
这里要把list字段也给大家介绍一下：
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slabs_partial:包含空闲和非空闲的slab描述符双向循环链表。
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slabs_full:不包含空闲对象的slab描述符双向循环链表。
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slabs_free:只包含空闲对象的slab描述符双向循环链表。
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free_objects:高速缓存中空闲对象的个数。
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free_touched:空闲链表的使用标志，避免刚分配的slab对象过早被回收
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next_reap:内核定期回收内存，此值为定时时间。
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array_cache:所有cpu共享的一个本地高速缓存池。
上面两个结构体都设计到了array_cache缓存池,这里也介绍下这个结构体：
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avail:指向本地cpu高速缓存池中可使用空闲slab对象的个数。
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limit：本地cpu高速缓存池的大小。
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batchcount: 本地高速缓存重新填充或腾空时使用的快大小。
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touched：如果本地高速缓存最近已经被使用过，则该标志置1.
slab描述符
高速缓存描述符中list涉及到了三个双向循环链表，这部分的链表链接的主要就是slab数据结构，该数据结构我们成为slab描述符。
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list：链表节点。
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colouroff：slab描述符中第一个slab对象的偏移。
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s_mem：指向slab对象所在的内存空间。
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inuse：当前正在使用的slab对象的个数。
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free：slab描述符中下一个空闲对象的下标。
源码分析
slab机制相关接口
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kmem_cache_init
该函数在linux系统初始化的时候自动被调用
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kmem_cache_create
负责创建一个高速缓存描述符
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kmem_cache_alloc
从指定的高速缓存描述符中分配一个slab对象
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kmem_cache_size
查询指定高数缓存描述的slab对象大小
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kmem_cache_free
释放一个slab对象到高速缓存描述符中
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kmem_cache_shrink
收缩高速缓存描述符中slab对象的数量
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__kmalloc
从通用高速缓存描述符中分配一个空闲的slab对象
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kfree
释放一个slab对象到通用高速缓存描述符中
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kmem_cache_destroy
销毁一个高速缓存描述符，注意：只有当所有slab对象处于空闲状态，该高速缓存描述符才能成功销毁
全局变量
slab机制作为一个比较完善且复杂的子模块，自然少不了一些预设的全局变量，下面这些全局变量将起到高瞻远瞩，统领全局的作用。
- cache_cache：
还记得上面说由两大类缓存池吗？这个cache_cache就是专用缓存池。它是给slab机制本身的kmem_cache_t高速缓存描述符使用的。看它的objsize字段就明白了，之所以要静态定义，是因为此时slab机制还没进行初始化。
- cache_chain:
本质上就是一个链表节点，用来链接所有的高速缓存描述符
- cache_chain_sem：
一个信号量，用来控制对cache_chain的访问
- malloc_sizes:
该数组元素的设置，是巧妙地通过头文件预处理的方式来设置。我第一次见这种c语言的用法，还是在一个著名的tcp协议栈-lwip里面见到，有兴趣了解可以查看这篇博文：https://blog.csdn.net/zyboy2000/article/details/4305816。这处是设置不同通用缓存池的大小，以2^n为单位。
- cache_names：
同上，设置通用缓存池的名称
slab机制初始化
slab机制要对外提供通用缓存池，所以在初始化机制里面，除了初始化全局变量的内容以外，主要就是初始化通用缓存池相关的高速缓存描述符。
初始化接口为kmem_cache_init,这个函数在操作系统初始化的时候，自动被调用。
kmem_cache_init
它的源码主要可以分为以下几个部分：
-
初始化结构相关的成员变量
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循环创建通用高速缓存描述符(以2的n次方为单位)
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遍历当前所有的高速缓存描述符，初始化相应的本地缓存池
整个函数的执行过程，在linux系统里面的执行动画如下：
创建高速缓存描述符
kmem_cache_create函数用来创建高速缓存描述符，一个高速缓存描述符管理负责管理多个slab描述符，而一个slab描述符，就是slab对象最小的管理单位。
我们先来了解下kmem_cache_create函数的原形：
参数含义如下：
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name : 设置高速缓存描述符的名字
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size : slab对象(高速缓存对象)的大小
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align : 内存对齐偏移
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flags : 设置slab对像的一些特性
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ctor、dtor: 构造函数和析构函数，通常不用管
源码分析：
它做的事情主要分为以外几个部分：
- 校验各个参数的合法值
- 计算slab描述符所需要使用的页面数、slab对象大小、着色区大小等
3初始化slab_full/slabs_partial/slabs_free链表
- 把创建的高速缓存描述符链接到cache_chain链表中
执行动画如下：
分配一个slab对象
kmem_cache_alloc负责从指定高速缓存描述符中分配一个slab对象
我们先来了解下kmem_cache_alloc函数的原形：
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cachep: 指定高速缓存描述符
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flags: 这个标志将用于向伙伴系统申请内存，创建slab对象
它做的事情主要分为以外几个部分：
- 先尝试从本地cpu缓存池获取slab对象
- 如果本地cpu缓存池没有slab对象，从共享缓存池尝试获取
- 如果共享缓存池没有slab对象，尝试从slab_partial、slab_free链表中获取
- 如果链表也没有slab对象，则向伙伴系统申请内存，并生成slab描述符和slab对象，挂在到链表上面去，通过goto语句，重走一遍全部流程
执行动画如下：
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