kmem_cache 정리

September 21, 2025
6 분 소요

0. 전체 요약

kmem_cache_create()는 고정 크기 커널 오브젝트를 위한 전용 슬랩 캐시를 생성하는 함수다.
인자별 핵심:
- name : 캐시 이름, 디버깅/모니터링용 식별자.
- size : 오브젝트 1개 크기 (sizeof(struct foo)).
- align : 오브젝트 시작 주소 alignment. 보통 0으로 두고 커널에 위임.
- flags : 슬랩 동작 및 디버깅 플래그 (SLAB_HWCACHE_ALIGN 등).
- ctor : 새 오브젝트가 처음 만들어질 때 한 번만 호출되는 constructor.
align은 구조체 내부 필드 정렬이 아니라, 슬랩에서 나오는 오브젝트 주소를 몇 바이트 경계에 맞출지 지정하는 값이다.
캐시라인 정렬이 필요할 때는 align 값을 직접 주기보다는, 일반적으로
align = 0 + flags에 SLAB_HWCACHE_ALIGN를 사용하는 패턴을 많이 쓴다.
슬랩 캐시에서 메모리를 쓸 때는:
- kmem_cache_alloc() / kmem_cache_zalloc()으로 할당,
- kmem_cache_free()로 해제,
- 모듈 종료 시점 등에는 kmem_cache_destroy()로 캐시 자체를 파괴한다.

1. 개요

kmem_cache_create()는 커널 SLAB/SLUB allocator에서 특정 크기의 오브젝트들을 위한 전용 캐시(slab cache) 를 만드는 함수다.
이 캐시를 만들어 두면, 같은 크기의 구조체를 반복적으로 kmem_cache_alloc() / kmem_cache_free()로 빠르게 할당/해제할 수 있다.

2. 함수 시그니처

일반적인 최신 커널 기준 시그니처는 다음과 같다:

struct kmem_cache *kmem_cache_create(const char *name,
				     unsigned int size,
				     unsigned int align,
				     slab_flags_t flags,
				     void (*ctor)(void *));

3. 인자별 설명

3.1 `const char *name`

슬랩 캐시의 이름이다.
/proc/slabinfo 등에 노출돼서 디버깅이나 모니터링할 때 어떤 캐시인지 식별하는 용도로 사용된다.
예: "my_inode_cache", "task_struct" 등.

3.2 `unsigned int size`

캐시가 관리할 오브젝트 1개의 크기(바이트 단위) 이다.
kmem_cache_alloc(cache, ...)로 할당받는 객체의 크기가 이 값에 해당한다.
보통 이렇게 넘긴다:

size = sizeof(struct my_obj);

3.3 `unsigned int align`

이 캐시에서 할당되는 오브젝트 시작 주소의 alignment(정렬 단위) 를 의미한다.
즉, “이 객체 주소가 몇 바이트 배수에 맞춰지게 할 것인지”를 정하는 값이다.
- 예: align = 64 → 오브젝트 시작 주소가 항상 64바이트 배수.
특별한 요구사항이 없으면 보통 0을 줘서 커널이 적당히 맞추게 둔다.
캐시라인 정렬이 필요하면 직접 숫자를 쓰기보다는 보통 SLAB_HWCACHE_ALIGN 플래그를 사용하는 패턴을 많이 쓴다.

정리하면,

align은 오브젝트가 놓이는 주소(address)의 alignment를 지정하는 인자다.
구조체 내부 특정 필드의 정렬이 아니라, “할당된 chunk 자체의 시작 주소”를 어떻게 정렬할지에 대한 설정이라고 보면 된다.

3.4 `slab_flags_t flags`

슬랩 캐시의 동작/디버깅 옵션을 제어하는 플래그들을 OR 해서 넘긴다.
자주 보는 플래그 예시:
- SLAB_HWCACHE_ALIGN
  - 오브젝트를 CPU 캐시라인 경계에 정렬해서 캐시 효율을 올리려는 목적.
- SLAB_POISON
  - 할당/해제 시 알려진 패턴으로 메모리를 채워서 use-after-free, 초기화 안 된 메모리 사용 같은 버그를 잡는 데 도움.
- SLAB_RED_ZONE
  - 오브젝트 앞/뒤에 red zone을 둬서 버퍼 오버런 잡는 디버깅용.
커널 config에서 슬랩 디버깅 옵션을 켜면 이 플래그들이 자동으로 켜지는 경우도 있다.

3.5 `void (ctor)(void )`

슬랩 오브젝트 constructor 콜백이다.
“새로운 페이지가 캐시에 추가되면서 새 오브젝트들이 처음 생성될 때” 한 번씩 호출되는 초기화 함수라고 보면 된다.
프로토타입:

void my_ctor(void *obj);

주 사용처:
- 구조체 안의 spinlock_t, struct list_head 같은 걸 항상 초기 상태로 맞춰두고 싶을 때.
- 즉, “이 캐시에서 나오는 객체라면 기본적으로 이런 초기 상태를 가져야 한다”를 맞춰두는 용도.
포인트:
- 매 alloc/free 때마다 도는 게 아니라, 새로 준비된 오브젝트에 대해 한 번만 호출된다는 점을 주의해야 한다.
- 실제 로직에서 요청마다 바뀌는 값(예: id, data 필드 등)은 보통 alloc 직후 코드에서 직접 채운다.

4. `align` 인자 상세

조금 더 align만 따로 정리하면:

정의
- align은 슬랩 캐시에서 할당되는 각 오브젝트의 시작 주소가 맞춰질 최소 정렬 단위이다.
- 즉, align은 곧 address alignment 요구 사항을 의미한다.
align 값 선택 기준
- 0
  - 커널이 오브젝트 크기와 타입에 따라 적당한 alignment를 잡아준다.
  - 가장 흔한 사용 방식.
- N(예: 8, 16, 32, 64 등)
  - 특정 하드웨어 요구사항, DMA, SIMD, cacheline 등의 이유로 특정 경계에 맞춰야 할 때 사용.
SLAB_HWCACHE_ALIGN와의 관계
- 캐시라인 정렬을 하고 싶을 때는 보통 align에 직접 캐시라인 크기를 넣기보다는,
  - align = 0으로 두고
  - flags에 SLAB_HWCACHE_ALIGN을 주는 식으로 많이 쓴다.
- 예:

cache = kmem_cache_create("my_obj_cache",
			  sizeof(struct my_obj),
			  0,                    // align은 0
			  SLAB_HWCACHE_ALIGN,   // 대신 캐시라인 정렬 플래그
			  my_obj_ctor);

5. 사용 예시

5.1 구조체 정의

struct my_obj {
	spinlock_t lock;
	struct list_head list;
	int data;
};

5.2 constructor 정의

static void my_obj_ctor(void *obj)
{
	struct my_obj *o = obj;

	spin_lock_init(&o->lock);
	INIT_LIST_HEAD(&o->list);
	/* data는 상황마다 값이 다르니까 여기서 굳이 채우지 않을 수도 있음 */
}

5.3 캐시 생성

static struct kmem_cache *my_obj_cache;

static int __init my_init(void)
{
	my_obj_cache = kmem_cache_create("my_obj_cache",
					 sizeof(struct my_obj),
					 0,                    // align: 커널에 맡김
					 SLAB_HWCACHE_ALIGN,   // 캐시라인 정렬
					 my_obj_ctor);         // 기본 초기화
	if (!my_obj_cache)
		return -ENOMEM;

	return 0;
}

5.4 (간단) 할당 / 해제 예시

struct my_obj *o;

o = kmem_cache_alloc(my_obj_cache, GFP_KERNEL);
if (!o)
	return -ENOMEM;

/* 필요 작업 수행 후 */

kmem_cache_free(my_obj_cache, o);

6. kmem_cache로부터 메모리 할당/해제

여기서는 할당 함수/해제 함수의 시그니처와 사용 패턴을 조금 더 자세히 정리한다.

6.1 `kmem_cache_alloc()`

void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags);

cachep
- kmem_cache_create()로 만든 캐시에 대한 포인터.
flags
- GFP_KERNEL, GFP_ATOMIC 등 일반적인 GFP 플래그 사용.
- 슬립 가능 여부, 컨텍스트에 따라 적절한 플래그를 선택해야 한다.
  - sleep 가능 컨텍스트: 보통 GFP_KERNEL.
  - interrupt context / bottom half 등: GFP_ATOMIC.
리턴값
- 성공: 캐시에서 할당된 오브젝트 시작 주소.
- 실패: NULL.
기본 사용 패턴:

struct my_obj *o;

o = kmem_cache_alloc(my_obj_cache, GFP_KERNEL);
if (!o)
	return -ENOMEM;

/* 여기부터 o 사용 */

주의점
- ctor가 설정돼 있다면, 새로 생성된 오브젝트에 대해서만 ctor가 호출되고,
  이미 존재하던 오브젝트를 재사용할 때는 ctor가 다시 돌지 않는다.
- 디버그 옵션이 없으면 kmem_cache_alloc()은 자동으로 zero-fill을 해주지 않는다.
  - 항상 0이 보장돼야 한다면:
    - 직접 memset(o, 0, sizeof(*o)); 하거나,
    - kmem_cache_zalloc()(지원되는 커널 버전일 때)을 사용.

6.2 `kmem_cache_zalloc()` (있을 때)

void *kmem_cache_zalloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags);

kmem_cache_alloc() + memset(obj, 0, size)를 합쳐 놓은 형태다.
오브젝트 전체를 0으로 초기화한 상태로 받고 싶을 때 사용한다.
ctor와 병행해서 쓸 경우:
- ctor는 “항상 필요한 기본 초기화” (락 초기화, 리스트 헤드 등)
- zalloc은 그 외 나머지 필드를 일단 0으로 만드는 용도로 역할이 분리된다.

6.3 `kmem_cache_free()`

void kmem_cache_free(struct kmem_cache *cachep, void *objp);

cachep
- 이 오브젝트가 원래 할당되었던 캐시 포인터.
objp
- kmem_cache_alloc() (또는 kmem_cache_zalloc())으로 받은 포인터.
사용 패턴:

kmem_cache_free(my_obj_cache, o);

주의점
- 반드시 같은 캐시로 되돌려야 한다.
  - kmem_cache_alloc(A)로 받은 걸 kmem_cache_free(B, obj)로 넘기면 안 됨.
- kmem_cache_alloc()으로 받은 포인터에 kfree()를 사용하면 안 됨.
- 마찬가지로 kmalloc()으로 받은 포인터를 kmem_cache_free()에 넘기면 안 됨.
- double free, use-after-free는 일반 메모리와 똑같이 위험하다.

6.4 에러 처리 및 lifetime 관리 예시

struct my_obj *o;

o = kmem_cache_alloc(my_obj_cache, GFP_KERNEL);
if (!o)
	return -ENOMEM;

/* 초기화 (ctor에서 못 하는 per-instance 값 설정) */
o->data = some_value;

/* 리스트에 올리거나, 다른 구조에 연결 */
spin_lock(&global_lock);
list_add(&o->list, &global_list);
spin_unlock(&global_lock);

/* ... 나중에 더 이상 필요 없을 때 ... */
spin_lock(&global_lock);
list_del(&o->list);
spin_unlock(&global_lock);

kmem_cache_free(my_obj_cache, o);

포인트:
- “소유 관계”를 명확히 해서 언제 kmem_cache_free()를 해야 하는지 결정해야 한다.
- 리스트나 다른 자료구조에서 제거된 뒤에만 free 해야 한다.

7. `kmem_cache_destroy()` – 캐시 파괴

슬랩 캐시 사용을 끝낼 때는 kmem_cache_destroy()로 캐시 자체를 정리해야 한다.
주로 모듈 언로드 시점이나 초기화 실패 시 롤백 경로에서 호출한다.

7.1 시그니처

void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *cachep);

cachep
- kmem_cache_create()로 생성된 슬랩 캐시 포인터.

7.2 사용 조건

모든 오브젝트가 이미 해제된 상태여야 한다.
- 즉, 해당 캐시에서 kmem_cache_alloc()으로 할당된 것들은 모두 kmem_cache_free()로 반환된 뒤여야 한다.
코어 커널에서 전역적으로 사용하는 공용 캐시(예: kmalloc-xx 계열 등)에 대해서는 호출하면 안 되고,
자기가 kmem_cache_create()로 직접 생성한 캐시에 대해서만 kmem_cache_destroy()를 호출해야 한다.

이 조건이 깨진 상태에서 kmem_cache_destroy()를 호출하면:

슬랩 디버그 옵션이 있을 경우 warning / BUG가 날 수 있고,
아닌 경우 동작이 undefined에 가깝다 (메모리 누수, 크래시 등).

7.3 일반적인 사용 위치

모듈 init 실패 경로

static int __init my_init(void)
{
	int ret;

	my_obj_cache = kmem_cache_create("my_obj_cache",
					 sizeof(struct my_obj),
					 0,
					 SLAB_HWCACHE_ALIGN,
					 my_obj_ctor);
	if (!my_obj_cache)
		return -ENOMEM;

	ret = my_subsystem_init();
	if (ret) {
		kmem_cache_destroy(my_obj_cache);
		return ret;
	}

	return 0;
}

모듈 exit (언로드)

static void __exit my_exit(void)
{
	/* 이 시점에는 my_obj_cache에서 할당한 모든 객체가
	   이미 리스트에서 제거되고 kmem_cache_free() 되어 있어야 한다. */

	if (my_obj_cache)
		kmem_cache_destroy(my_obj_cache);
}

포인트:
- exit 전에 전역 리스트, 해시 테이블 등에 남아 있는 오브젝트를 모두 정리하고 kmem_cache_free() 해야 한다.
- 그 후에 kmem_cache_destroy()를 호출해 캐시를 완전히 반환한다.

7.4 `kmem_cache_shrink()`와의 차이 (간단히)

kmem_cache_shrink()는 사용되지 않는 슬랩 페이지를 반납해 메모리를 줄이는 역할을 한다.
kmem_cache_destroy()는 캐시 자체를 없애는 것이다.
보통 일반 모듈 코드에서는 kmem_cache_shrink()까지 직접 쓸 일은 드물고,
생성한 캐시는 그냥 kmem_cache_destroy()로 정리하는 정도면 충분한 경우가 많다.

8. 전체 흐름 요약

모듈 초기화 시:
- kmem_cache_create()로 전용 슬랩 캐시 생성.
런타임 동안:
- kmem_cache_alloc() / kmem_cache_zalloc()으로 오브젝트 할당.
- 필요 없을 때마다 kmem_cache_free()로 반환.
모듈 종료 또는 더 이상 캐시가 필요 없을 때:
- 먼저 모든 오브젝트를 자료구조에서 제거하고 kmem_cache_free() 호출.
- 마지막에 kmem_cache_destroy()로 캐시 자체를 파괴.

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TOT0Ro

kmem_cache 정리

0. 전체 요약

1. 개요

2. 함수 시그니처

3. 인자별 설명

3.1 `const char *name`

3.2 `unsigned int size`

3.3 `unsigned int align`

3.4 `slab_flags_t flags`

3.5 `void (ctor)(void )`

4. `align` 인자 상세

5. 사용 예시

5.1 구조체 정의

5.2 constructor 정의

5.3 캐시 생성

5.4 (간단) 할당 / 해제 예시

6. kmem_cache로부터 메모리 할당/해제

6.1 `kmem_cache_alloc()`

6.2 `kmem_cache_zalloc()` (있을 때)

6.3 `kmem_cache_free()`

6.4 에러 처리 및 lifetime 관리 예시

7. `kmem_cache_destroy()` – 캐시 파괴

7.1 시그니처

7.2 사용 조건

7.3 일반적인 사용 위치

7.4 `kmem_cache_shrink()`와의 차이 (간단히)

8. 전체 흐름 요약

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참고

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systemd에서 특정 서비스의 실행 시점(ms 단위) 확인하기

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Analysis C Operators

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0. 전체 요약

1. 개요

2. 함수 시그니처

3. 인자별 설명

3.1 const char *name

3.2 unsigned int size

3.3 unsigned int align

3.4 slab_flags_t flags

3.5 void (*ctor)(void *)

4. align 인자 상세

5. 사용 예시

5.1 구조체 정의

5.2 constructor 정의

5.3 캐시 생성

5.4 (간단) 할당 / 해제 예시

6. kmem_cache로부터 메모리 할당/해제

6.1 kmem_cache_alloc()

6.2 kmem_cache_zalloc() (있을 때)

6.3 kmem_cache_free()

6.4 에러 처리 및 lifetime 관리 예시

7. kmem_cache_destroy() – 캐시 파괴

7.1 시그니처

7.2 사용 조건

7.3 일반적인 사용 위치

7.4 kmem_cache_shrink()와의 차이 (간단히)

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3.2 `unsigned int size`

3.3 `unsigned int align`

3.4 `slab_flags_t flags`

3.5 `void (ctor)(void )`

4. `align` 인자 상세

6.1 `kmem_cache_alloc()`

6.2 `kmem_cache_zalloc()` (있을 때)

6.3 `kmem_cache_free()`

7. `kmem_cache_destroy()` – 캐시 파괴

7.4 `kmem_cache_shrink()`와의 차이 (간단히)