【内存管理】实现内核 Slab 分配器以优化小对象分配和缓存利用

[miiyakumo]

🎯 目标

实现一个内核级别的 Slab 分配器（可以基于经典的 SLAB、更现代的 SLUB 或自定义设计），以取代或增强现有的小对象内存分配机制。

主要目的：

• 减少内部碎片： 针对内核中频繁创建和销毁的特定大小对象（如进程控制块、文件结构等）提供固定大小的分配。
• 提高分配效率： 通过对象缓存，避免重复的初始化和销毁开销。
• 优化硬件缓存（Cache）利用： 尝试实现缓存着色（Cache Coloring）或类似机制，以提高 CPU 缓存命中率。

✨ 详细描述

当前的内存分配机制在处理大量固定大小的小对象时，存在性能瓶颈和碎片问题。需要实现一个 Slab 分配器，它将位于页分配器（Buddy Allocator）之上，并提供以下核心功能：

• 对象缓存 (Cache) 管理： 允许创建和销毁针对特定数据结构（如 struct task_struct）的缓存。
• Slab 结构： 管理内存块（Slabs），每个 Slab 由一个或多个物理页组成，并包含固定大小的对象。Slab 应能跟踪其状态（Full, Partial, Empty）。
• 对象分配/释放 API： 提供类似 kmem_cache_alloc() 和 kmem_cache_free() 的接口供内核其他部分使用。
• 构造函数/析构函数支持： 允许在创建 Slab 或对象时调用可选的构造函数（Constructor）进行初始化。

🔨 待办事项 (Tasks)

• 定义核心数据结构： kmem_cache (缓存)、slab (内存块)、以及对象管理结构。
• 实现缓存创建/销毁： 编写 kmem_cache_create() 和 kmem_cache_destroy()。
• 实现 Slab 分配/释放： 编写管理 Slab 内存块的底层函数，通过 Buddy Allocator 获取页面。
• 实现对象分配/释放： 编写 kmem_cache_alloc() 和 kmem_cache_free()。
• 集成缓存着色（可选）： 引入机制以优化对象在 Slab 内的偏移，减少缓存冲突。
• 编写单元测试
• 压力测试（可选）： 确保分配器在高并发和频繁操作下稳定可靠。

🚧 依赖/前置条件现有的**页分配器（Buddy Allocator）**已稳定工作，并能提供页级别的内存块。确定 Slab 分配器的命名约定（例如：SLAB, SLUB, 或自定义名称）。明确目标架构的缓存行大小。