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148 lines
5.5 KiB
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# Phase 0 · Day 3: 内核内存管理 — buddy → slab → slub
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## 一、你的系统数据
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```
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Buddy (/proc/buddyinfo, Node 0 DMA32):
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order 0(4KB)=2275 1(8KB)=2107 2(16KB)=2287 3(32KB)=2270
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4(64KB)=1540 5(128KB)=992 6(256KB)=558 7(512KB)=215
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8(1MB)=35 9(2MB)=7 10(4MB)=0 ← 连续大块已严重碎片化
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Slab (/proc/slabinfo):
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skbuff_head_cache: 4411 active 256B/obj 16 objs/slab
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skbuff_small_head: 345 active 704B/obj 23 objs/slab
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sock_inode_cache: 896 active 832B/obj
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kmalloc-cg-2k: 627 active 2048B/obj
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kmalloc-cg-4k: 222 active 4096B/obj
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## 二、三层架构
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```
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kmalloc(1536)
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↓
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┌─ Slub (对象分配器) ─────────────────────┐
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│ per-CPU cache (kmem_cache_cpu) │
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│ freelist: obj0→obj3→obj7→∅ │
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│ 分配 = 弹 head, O(1), 无锁 (fastpath) │
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│ 释放 = 插 head, O(1), 无锁 │
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│ ↓ freelist 空 │
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│ partial slab → 切对象 → 填 freelist │
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│ ↓ partial 也空 │
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└────────────┬────────────────────────────┘
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↓ 需要新 slab page
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┌─ Buddy System (页分配器) ────────────────┐
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│ order 0(4KB) → order 10(4MB) │
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│ 分配: 找 order n → 没有? 分裂 n+1 │
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│ 释放: 合井相邻 buddy │
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│ 碎片: 长期运行 order 高位全 0 │
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└──────────────────────────────────────────┘
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```
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## 三、Buddy System
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两个页块互为 buddy: 大小相同 + 物理相邻 + 来自同一父块分裂。
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```
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16KB 块 (order 2, page 0-3):
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[p0][p1][p2][p3]
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└buddy┘ └buddy┘
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释放 p0 时: p1 空闲? → 合并成 8KB (order 1)
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[p0,p1] 和 [p2,p3] 都空闲? → 再合并成 16KB (order 2)
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```
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/proc/buddyinfo 就是各级 order 的空闲块计数。你的系统 order 9 只剩 7 个 2MB 块 → 碎片严重。
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## 四、Slub: per-CPU 无锁分配
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```c
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// include/linux/slub_def.h:50
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struct kmem_cache_cpu {
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void **freelist; // 本 CPU 空闲对象链表
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unsigned long tid; // 事务 ID
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struct slab *slab; // 当前 slab
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struct slab *partial; // 部分使用的 slabs
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};
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```
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### 分配路径
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```
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slab_alloc(s, gfp, node)
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→ c = per_cpu_ptr(s->cpu_slab, cpu) ← 本 CPU 的 cache
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→ object = c->freelist ← 取 freelist head
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→ if (object) { ← FAST PATH (>99%)
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c->freelist = *(void**)object; ← 更新 freelist
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return object; ← done, 无锁!
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}
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→ ___slab_alloc(s, gfp, node, c) ← SLOW PATH
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→ 1. 取 partial slab → 切对象
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→ 2. partial 空 → buddy 申请新页 → 切 16 个对象
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→ 3. 1 个返回, 15 个填 freelist
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```
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### freelist 嵌入空闲对象内部
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```
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一个 slab page (4KB):
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┌──────┬──────┬──────┬...┬──────┐
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│ obj0 │ obj1 │ obj2 │ │obj15 │ 16个 256B 对象
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└──────┴──────┴──────┴...┴──────┘
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空闲对象 obj0 的前 8 字节 = &obj3
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空闲对象 obj3 的前 8 字节 = &obj7
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obj7 的前 8 字节 = NULL
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分配: head = freelist; freelist = *(void**)head; return head;
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释放: *(void**)obj = freelist; freelist = obj;
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## 五、内核 slub vs DPDK mempool
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| | 内核 slub | DPDK mempool |
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|---|---|---|
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| **L1 cache** | per-CPU freelist | per-lcore cache |
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| **L1 操作** | 弹 freelist head, O(1) | 弹 cache->objs[--len], O(1) |
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| **L2 补货** | partial slab → buddy 新页 | rte_ring → driver dequeue |
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| **L3 兜底** | buddy alloc → OOM | 驱动层 |
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| **锁** | 无锁 (per-CPU) | 无锁 (per-lcore + ring CAS) |
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| **预分配** | 按需从 buddy 取 | hugepage 一次性分配 |
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| **碎片** | 长期运行 buddy 碎片 | 不会,固定大小,一次分配 |
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## 六、实战踩坑
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### 坑 1: 跨 NUMA 分配延迟 3x
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- **现象**: 双 socket 服务器上性能波动严重
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- **根因**: CPU0 分配了 socket1 的内存 → 远程访问
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- **修复**: `rte_mempool_create(socket_id=rte_socket_id())`
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### 坑 2: buddy 碎片 → 大块分配失败
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- **现象**: dmesg "page allocation failure: order:4"
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- **根因**: 频繁 alloc/free skb 拆散所有连续大块
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- **修复**: DPDK 用 hugepage 预分配
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### 坑 3: skb 泄漏
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- **现象**: /proc/slabinfo skb active_objs 只增不减
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- **根因**: netfilter drop 未调 kfree_skb
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- **定位**: `bpftrace -e 'k:alloc_skb { @a=kstack } k:kfree_skb { @f=kstack }'`
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### 坑 4: GFP_ATOMIC 在中断上下文耗光
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- **现象**: 高吞吐下 alloc_skb 返回 NULL
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- **根因**: GFP_ATOMIC 不触发页面回收,分配池浅
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- **修复**: 预分配内存池,或在进程上下文用 GFP_KERNEL
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### 坑 5: per-CPU cache false sharing
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- **现象**: 多核并发分配性能不线性增长
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- **根因**: s->cpu_slab[0] 和 s->cpu_slab[1] 在同一 cache line
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- **修复**: `____cacheline_aligned_in_smp` 或 DPDK `__rte_cache_aligned`
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## 七、检验标准
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- [ ] 能解释 buddy 分裂/合并 + 会读 /proc/buddyinfo
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- [ ] 能画 slub 三级分配: freelist → partial slab → buddy
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- [ ] 能讲 kmem_cache_cpu 如何无锁 + 和 DPDK mempool 对照
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- [ ] 5 个坑都知道怎么定位
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- [ ] 能在 /proc/slabinfo 找到 skb cache 并解读字段
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