【無料で読める】０から作るOS開発Vol.9カーネル編ヒープとkmallocとスラブアロケーター

C言語で０から作るOSを開発について説明していきます。このシリーズではカーネルの開発について説明しています。
今回は動的メモリー確保を行うkmallocとその基盤となるスラブアロケーターについて説明していきます。

[第3版改訂] プログラムソースのフォーマットを変更しました。
[第4版改訂] 表紙の変更、誤記修正、kmem_cach_allocの不具合修正

［目次］
前回までの内容
ヒープ（Heap）
　　固定長メモリーブロック
　　バディ（相棒）システム
スラブアロケーター(Slab Allocator）
　　オブジェクトとスラブとキャッシュ
スラブアロケーターのインターフェイス
　　スラブアロケーターのフロントエンド
　　スラブアロケーターのバックエンド
　　スラブアロケーターのインターフェイス関数
　　　　”キャッシュ”の生成 kmem_cache_create
　　　　”キャッシュ”の割り当て kmem_cache_alloc
　　　　”キャッシュ”の解放 kmem_cache_free
　　　　”キャッシュ”の破壊 kmem_cache_destroy
　　　　”キャッシュ”の拡大 kmem_cache_grow
　　　　”キャッシュ”の刈り取り kmem_cache_reap
　　スラブアロケーターのインターフェース使用例
スラブ
　　kmem_bufctlの定義
　　スラブのレイアウト（小さなサイズのオブジェクトの場合）
　　スラブのレイアウト（大きなサイズのオブジェクトの場合）
　　スラブの管理
　　スラブの定義
キャッシュ
　　キャッシュ kmem_cacheの定義
スラブアロケーターの実装
キャッシュの生成 kmem_cache_create関数の実装 （フロントエンド）
　　１．kmem_cacheの生成 allocKmemCache関数
　　２．kmem_cacheの初期化 initKmemCache関数
　　３．スラブの計算 calcSlabSize
　　４．キャッシュをキャッシュリストに追加
　　５．初期化したキャッシュ構造体を返す
キャッシュの割り当て kmem_cache_alloc関数の実装 （フロントエンド）
　　１．”一部割り当て済み”のスラブがあればそこからオブジェクトを割り当てる
　　２． １．以外の場合で、”全部が解放済み”のスラブがない場合
　　３． １．以外の場合、”全部が解放済み”のスラブがあればそこからオブジェクトを割り当てる
キャッシュの解放 kmem_cache_free関数の実装 （フロントエンド）
　　１．オンスラブであれば、そのままスラブ構造体のアドレスを取得する
　　２．オフスラブの場合、”一部が割り当て済み”、”全部が割り当て済み”リストのスラブからスラブ構造体のアドレスを取得する。
　　３．解放するオブジェクトが所属するスラブのkmem_bufctlを更新する
キャッシュの破壊 kmem_cache_destory関数の実装 （フロントエンド）
キャッシュの拡大 kmem_cache_grow関数の実装 （バックエンド）
　　１．オフスラブの場合、スラブとkmem_bufctlのメモリーはkmallocから割り当て、オブジェクト専用のページを別途割りてます。
　　２．オンスラブの場合1ページ丸ごとスラブに割りてます。
　　３．スラブ構造体とキャッシュの一部を初期化します。
キャッシュの刈り取り kmem_cache_reap関数の実装 （バックエンド）
　　１．スラブ構造体のアドレスを取得します。
　　２．オンスラブの場合、スラブに割り当てていた1ページを解放します。
　　３．オフスラブの場合、オブジェクトに割り当てていたページとkfreeでスラブ管理情報を解放します。
kmallocとkfree
　　スラブアロケーターの活用
　　汎用オブジェクトの作成とスラブアロケーターの初期化
　　　　kmem_cacheキャッシュの確保
　　　　汎用オブジェクトの確保
　　　　スラブアロケーターの初期化
　　kmallocの実装
　　kfreeの実装
ここまでで実装してきたスラブアロケーターの改良
ページとの対応付け
オブジェクトのアライメント
カラーリング
　　ハードウェアキャッシュの概略
　　　　スラブアロケーターのカラーリング
不要となったスラブの解放