4.7.2 内存分配与回收机制：伙伴系统与SLAB/SLUB

本节聚焦内核内存分配的两大机制：伙伴系统（页级分配）与 SLAB/SLUB（对象级缓存）。理解其协作方式，可用于定位碎片化、slab 膨胀、高阶页分配失败等问题。

原理草图：伙伴系统与 SLAB/SLUB 协作

文章图片

伙伴系统要点
- 以 order 管理空闲链表，分配时拆分、回收时合并
- 适用于页框级别分配（如页缓存、匿名页、kmalloc 大对象）
- 外部碎片问题可通过内存紧缩与回收缓解

SLAB/SLUB 要点
- 为常用内核对象建立缓存，减少频繁分配释放的锁竞争
- SLAB：缓存含多个 slab，管理复杂但统计完善
- SLUB：结构更简化、内存占用更低、适合大规模并发
- 典型对象：inode、dentry、task_struct、buffer_head 等

观测与命令示例（含解释）#

1）查看伙伴系统碎片化

# 查看每个 NUMA 节点、各 order 空闲页数量
cat /proc/buddyinfo

# 示例输出（节选）
# Node 0, zone   Normal  12  8  5  2  0  0 ...

解释： 数字从 order0（1页）到更高阶页，若高阶页长期为 0，说明碎片化严重。

2）查看 SLAB/SLUB 缓存

# 友好展示 slab 缓存占用与活跃对象
slabtop -o

# 查看原始 slab 统计
cat /proc/slabinfo | head -n 5

解释： slabtop 可快速发现占用异常的缓存（如 dentry、inode_cache）。

3）检测内存回收压力

# kswapd 频繁唤醒或 direct reclaim 增多会导致抖动
vmstat 1 5

解释： 关注 si/so（换入换出）、kswapd 相关指标，配合 dmesg 观察回收路径。

示例：模拟碎片化并观察高阶页不足#

步骤 1：安装工具（如 CentOS/RHEL）

# 安装 stress 工具
sudo yum install -y epel-release
sudo yum install -y stress

步骤 2：制造内存压力

# 启动 4 个内存压测进程，每个申请 256M
stress --vm 4 --vm-bytes 256M --vm-keep --timeout 30s

步骤 3：观察 buddyinfo 变化

cat /proc/buddyinfo

预期效果： 高阶 order 值下降或趋近 0，说明高阶页不足。

排错场景与处理建议#

场景 1：高阶页分配失败（dmesg 报错）

# 查看内核日志
dmesg | tail -n 50 | grep -i "page allocation failure"

处理：
- 启用内存紧缩（compaction）或临时降低 THP 需求
- 检查碎片化，尽量减少长时间持有大量小块内存

场景 2：slab 缓存占用异常

# 快速定位异常缓存
slabtop -o | head -n 10

处理：
- 排查是否有内核对象泄漏（如 dentry 暴涨）
- 检查应用是否频繁创建/销毁文件、连接、进程

参数与调优示例（可回滚）#

调整透明大页策略

# 临时关闭 THP（减少对高阶页的需求）
echo never | sudo tee /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled

# 验证
cat /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled

启用内存紧缩（可提高高阶页可用性）

# 触发一次 compaction
echo 1 | sudo tee /proc/sys/vm/compact_memory

练习题（含目标与验证）#

练习 1：找出当前系统中占用最大的 slab 缓存
- 目标：识别前三位缓存
- 命令：

slabtop -o | head -n 15
  • 验证：记录前三项的 name、objs、size。

练习 2：观察压力下的高阶页变化
- 目标：比较 stress 前后 /proc/buddyinfo
- 命令：

cat /proc/buddyinfo > /tmp/buddy.before
stress --vm 2 --vm-bytes 512M --vm-keep --timeout 20s
cat /proc/buddyinfo > /tmp/buddy.after
diff -u /tmp/buddy.before /tmp/buddy.after
  • 验证：确认高阶页数量下降。

练习 3：定位 slab 增长原因
- 目标：分析 dentry/inode_cache 是否异常
- 命令：

slabtop -o | egrep "dentry|inode_cache"
lsof | wc -l
  • 验证：若缓存高且打开文件数巨大，需排查应用文件句柄泄漏。