内核在运行时，经常需要在内核空间3G~3G+high_memory这个内存空间申请动态内存，以存放一些结构类型的数据。例如，在创建一个程序时，它就要为该程序控制块task_struct申请一段内存空间；在撤销这个程序时，又要释放这个空间。在内核中，由于这种结构体类型数据的数量相当大，而数据所占的内存空间又不可能刚好是一个或多个页框，所以在以页框为最小分配单位的分配方法里，这种数据产生的碎片就相当多，内存空间浪费比较惊人。
于是，这就促使人们在不破坏页管理机制的条件下，考虑更小的内存分配粒度。所以自从Linux2.2开始，设计者在Linux系统中采用了一个叫做slab的小对象分配模式。
这里区分一下外部碎片和内部碎片：
外部碎片：什么是外部碎片呢？我们通过一个图来解释：
假设这是一段连续的页框，阴影部分表示已经被使用的页框，现在需要申请一个连续的5个页框。这个时候，在这段内存上不能找到连续的5个空闲的页框，就会去另一段内存上去寻找5个连续的页框，这样子，久而久之就形成了页框的浪费。称为外部碎片。内核中使用伙伴算法的迁移机制很好的解决了这种外部碎片。
内部碎片：当我们申请几十个字节的时候，内核也是给我们分配一个页，这样在每个页中就形成了很大的浪费。称之为内部碎片。内核中引入了slab机制去尽力的减少这种内部碎片。
缓冲区和slab的概念
slab模式是20世纪90年代提出的一个为小数据分配内存空间的方法。在设计slab模式时，人们看到：内核的这些小数据虽然量很大，但是种类并不多，于是就提出了这样一个思想：把若干的页框合在一起形成一大存储块——slab，并在这个slab中只存储同一类数据，这样就可以在这个slab内部打破页的界限，以该类型数据的大小来定义分配粒度，存放多个数据，这样就可以尽可能地减少页内碎片了。在Linux中，多个存储同类数据的slab的集合叫做一类对象的缓冲区——cache。注意，这不是硬件的那个cache，只是借用这个名词而已。
采用slab模式的另一个考虑就是：一些内核数据不但需要为其分配内存，而且还经常需要对它们进行一些比较费时的初始化操作。这样，当这些数据在内核运行时频繁地创建和撤销，就消耗了大量的CPU时间。而slab模式恰好就能解决这个问题。
但是目前，Linux中的缓冲区只才在用了前一个功能，并没有使用构造函数和析构函数。
slab分配机制：slab分配器是基于对象进行管理的，所谓的对象就是内核中的数据结构（例如：task_struct、file_struct 等）。相同类型的对象归为一类，每当要申请这样一个对象时，slab分配器就从一个slab列表中分配一个这样大小的单元出去，而当要释放时，将其重新保存在该列表中，而不是直接返回给伙伴系统，从而避免外部碎片。
Linux在一个缓冲区中，用链表来管理多个slab，而且把这些slab分成三段：第一段是所有已经被对象充满的slab；第二段是半满的slab；第三段是空闲的slab。slab模式的示意图如下：
也就是说，Linux 的slab 可有三种状态：
- 满的：slab 中的所有对象被标记为使用；
- 空的：slab 中的所有对象被标记为空闲；
- 部分：slab 中的对象有的被标记为使用，有的被标记为空闲。
slab 分配器首先从部分空闲的slab 进行分配。如没有，则从空的slab 进行分配。如没有，则从物理连续页上分配新的slab，并把它赋给一个cache ，然后再从新slab 分配空间。
总之，一个缓冲区是一个特殊的内存区，其中有多个slab，一个slab占用的内存空间必须为整数页并且是连续的，但在slab内部却没有页的概念；而一个slab所占用的页框的数目，则是在以保证产生的页内碎片最小为目标，由负责创建缓冲区的内核函数kmem_cache_create()调用slab分配器经过计算得出的。
在文件mm/slab.c中定义的slab的数据结构如下：
struct slab {
struct list_head list; //链表结构
unsigned long colouroff; //对象区的起点与slab起点之间的偏移
void *s_mem; /* 对象区在slab中的起点 */
unsigned int inuse; /* 记录已分配对象空间数目的计数器 */
kmem_bufctl_t free; //指向了对象链中的第一个空闲对象
unsigned short nodeid;
};
同一个缓冲区的slab按对象空间已满、半满和全空顺序组成了链表。为了解slab中有多少对象空间已经被占用，在链表的结构中有成员inuse；为给内核新申请的对象分配空间，在结构中有成员free。
Linux用数据结构kmem_cache_t描述一个缓冲区，并管理该缓冲区中的slab链表。
slab的优点：
- 内核通常依赖于对小对象的分配，它们会在系统生命周期内进行无数次分配。slab 缓存分配器通过对类似大小的对象进行缓存而提供这种功能，从而避免了常见的碎片问题；
- slab 分配器还支持通用对象的初始化，从而避免了为同一目的而对一个对象重复进行初始化；
- slab 分配器还可以支持硬件缓存对齐和着色，这允许不同缓存中的对象占用相同的缓存行，从而提高缓存的利用率并获得更好的性能。
slab的缺点：
- 较多复杂的队列管理。在slab分配器中存在众多的队列，例如针对处理器的本地缓存队列，slab中空闲队列，每个slab处于一个特定状态的队列之中。所以，管理太费劲了。
- slab管理数据和队列的存储开销比较大。每个slab需要一个struct slab数据结构和一个管理者kmem_bufctl_t型的数组。当对象体积较小时，该数组将造成较大的开销（比如对象大小为32字节时，将浪费1/8空间）。同时，缓冲区针对节点和处理器的队列也会浪费不少内存。
- 缓冲区回收、性能调试调优比较复杂。
slab缓冲区有专用缓冲区和通用缓冲区之分。
专用缓冲区
slab专用缓冲区主要用于内核频繁使用的一些数据结构，例如task_struct、mm_struct、vm_area_struct、file、dentry、inode等。
调用内核函数kmem_cache_create()可以创建一个专用缓冲区。该函数的原型如下：
struct kmem_cache * kmem_cache_create (
const char *name, //缓冲区名称
size_t size, //对象大小
size_t offset, //偏移量
unsigned long c_flags, //标志
void (*ctor)(void *objp,...), //构造函数
void (*ctor)(void *objp,...)) //析构函数
{
...
}前面提到，Linux没有对缓冲区中的对象进行构造和析构，因此在参数中的构造函数和析构函数都被置为NULL。
函数调用成功后，其返回值为创建的缓冲区的指针。
如果要在缓冲区中申请一个对象的控件，则需调用内核函数kmem_chche_alloc()。
一个对象在使用之后，还要调用内核函数kmem_cache_free()将其占有的空间归还缓冲区并由缓冲区来管理。注意，是归还缓冲区，使已经被释放的对象空间成为一个空闲对象空间，而不是归还内存。
当认为某一个缓冲区确实不需要使用了，则需调用内核函数kmem_cache_distory()把缓冲区的控件归还内存。但一般不需要这样做，因为内核的守护程序kswapd会定时对slab中的空闲对象进行必要的回收工作。
这样看来，缓冲区有点像内存的一个特区。
通用缓冲区
对于内核的一些初始化工作量不大的数据结构可以使用通用缓冲区。在Linux中通用缓冲区按可分配对象空间的大小，分为可以容纳32字节大小对象的缓冲区、64字节大小对象的缓冲区……128KB对象大小的缓冲区。自通用缓冲区申请对象空间的内核函数为kmalloc()，而释放对象空间的函数为kfree()。
因为在本文开头提到：在内核空间3G~3G+high_memory这个内存空间分配空间。
Linux内存管理的总貌
分页及页交换技术是实现虚拟内存的基础，页表及MMU是实现虚拟内存的保障。
Linux内存管理的总貌如下图所示：
交换模块swap
这个模块负责页的换入和换出，从物理内存中淘汰最近没有访问的页面，保存近来访问的页面。该模块由以下几个部分组成：
- page_io.c：读写交换文件的功能函数；
- swap_state.c：修改高速缓存的函数；
- swapfile.c：完成换入换出的系统调用；
- swap.c：定义交换所需要的数据结构和常量；
- kswapd：一个内核程序，周期性地处理物理内存与虚拟内存之间的交换。
核心内存管理模块core
这个模块负责核心内存的管理，即对页的管理。该模块的管理功能函数可以被核心的其他子系统调用。该模块的功能函数有：
- page_alloc.c：负责处理页的释放、回收和分配；
- memory.c：负责申请页面。
结构特定的模块
这个模块是在不同的硬件平台上实现虚拟内存的基础，通过执行命令来改变硬件MMU的虚拟地址映射，在发生页错误时提供公有的方法来通知其他内核子系统。实现该模块的源程序有：
- mm/fault.c：处理页异常；
- mm/init.c：内存初始化。