kmalloc/kfree,vmalloc/vfree函数用法和区别

1 kmalloc

kmalloc内存分配和malloc相似，除非被阻塞否则他执行的速度非常快，而且不对获得空间清零.

tiger说明：在用kmalloc申请函数后，要对起清零用memset()函数对申请的内存进行清零。

2 kamlloc函数原型

#include
void *kmalloc(size_t size, int flags);

(1)第一个参数是要分配的块的大小
(2)第二个参数是分配标志（flags），他提供了多种kmalloc的行为。

1. 最常用的GFP_KERNEL
   表示内存分配（最终总是调用get_free_pages来实现实际的分配；这就是GFP前缀的由来）是代表运行在内核空间的进程执行的。使用GFP_KERNEL容许kmalloc在分配空闲内存时候如果内存不足容许把当前进程睡眠以等待。因此这时分配函数必须是可重入的。
2. GFP_ATOMIC
   用来从中断处理和进程上下文之外的其他代码中分配内存. 从不睡眠.
3. GFP_USER
   用来为用户空间页来分配内存; 它可能睡眠.
4. GFP_HIGHUSER
   如同 GFP_USER, 但是从高端内存分配, 如果有. 高端内存在下一个子节描述.
5. GFP_NOFS,GFP_NOIO
   这个标志功能如同 GFP_KERNEL, 但是它们增加限制到内核能做的来满足请求. 一个 GFP_NOFS 分配不允许进行任何文件系统调用, 而 GFP_NOIO 根本不允许任何 I/O 初始化. 它们主要地用在文件系统和虚拟内存代码, 那里允许一个分配睡眠, 但是递归的文件系统调用会是一个坏主意.

上面列出的这些分配标志可以是下列标志的相或来作为参数, 这些标志改变这些分配如何进行:

1. __GFP_DMA
   这个标志要求分配在能够 DMA 的内存区. 确切的含义是平台依赖的并且在下面章节来解释.
2. __GFP_HIGHMEM
   这个标志指示分配的内存可以位于高端内存.
3. __GFP_COLD
   正常地, 内存分配器尽力返回"缓冲热"的页 – 可能在处理器缓冲中找到的页. 相反, 这个标志请求一个"冷"页, 它在一段时间没被使用. 它对分配页作 DMA 读是有用的, 此时在处理器缓冲中出现是无用的. 一个完整的对如何分配 DMA 缓存的讨论看"直接内存存取"一节在第 1 章.
4. __GFP_NOWARN
   这个很少用到的标志阻止内核来发出警告(使用 printk ), 当一个分配无法满足.
5. __GFP_HIGH
   这个标志标识了一个高优先级请求, 它被允许来消耗甚至被内核保留给紧急状况的最后的内存页.
6. __GFP_REPEAT
   __GFP_NOFAIL
   __GFP_NORETRY
   这些标志修改分配器如何动作, 当它有困难满足一个分配. __GFP_REPEAT 意思是" 更尽力些尝试" 通过重复尝试 – 但是分配可能仍然失败. __GFP_NOFAIL 标志告诉分配器不要失败; 它尽最大努力来满足要求. 使用 __GFP_NOFAIL 是强烈不推荐的; 可能从不会有有效的理由在一个设备驱动中使用它. 最后, __GFP_NORETRY 告知分配器立即放弃如果得不到请求的内存.
7. __GFP_DMA和__GFP_HIGHMEM的使用与平台相关，Linux把内存分成3个区段：可用于DMA的内存、常规内存、以及高端内存。X86平台上ISA设备DMA区段是内存的前16MB，而PCI设备无此限制。
   内存区后面的机制在 mm/page_alloc.c 中实现, 而内存区的初始化在平台特定的文件中, 常常在 arch 目录树的 mm/init.c。

3 kmalloc的使用方法

Linux 处理内存分配通过创建一套固定大小的内存对象池. 分配请求被这样来处理, 进入一个持有足够大的对象的池子并且将整个内存块递交给请求者. 驱动开发者应当记住的一件事情是, 内核只能分配某些预定义的, 固定大小的字节数组.

如果你请求一个任意数量内存, 你可能得到稍微多于你请求的, 至多是 2 倍数量. 同样, 程序员应当记住 kmalloc 能够处理的最小分配是 32 或者 64 字节, 依赖系统的体系所使用的页大小. kmalloc 能够分配的内存块的大小有一个上限. 这个限制随着体系和内核配置选项而变化. 如果你的代码是要完全可移植, 它不能指望可以分配任何大于 128 KB. 如果你需要多于几个 KB, 但是, 有个比 kmalloc 更好的方法来获得内存。在设备驱动程序或者内核模块中动态开辟内存，不是用malloc，而是kmalloc ,vmalloc，或者用get_free_pages直接申请页。释放内存用的是kfree,vfree，或free_pages.

kmalloc函数返回的是虚拟地址(线性地址). kmalloc特殊之处在于它分配的内存是物理上连续的,这对于要进行DMA的设备十分重要. 而用vmalloc分配的内存只是线性地址连续,物理地址不一定连续,不能直接用于DMA.

注意kmalloc最大只能开辟128k-16，16个字节是被页描述符结构占用了。kmalloc用法参见khg.

内存映射的I/O口，寄存器或者是硬件设备的RAM(如显存)一般占用F0000000以上的地址空间。在驱动程序中不能直接访问，要通过kernel函数vremap获得重新映射以后的地址。

另外，很多硬件需要一块比较大的连续内存用作DMA传送。这块内存需要一直驻留在内存，不能被交换到文件中去。但是kmalloc最多只能开辟大小为32XPAGE_SIZE的内存,一般的PAGE_SIZE=4kB,也就是128kB的大小的内存。

4 kmalloc和vmalloc的区别

vmalloc()与 kmalloc()都可用于分配内存

• kmalloc()分配的内存处于3GB~high_memory之 间,这段内核空间与物理内存的映射一一对应

• vmalloc()分配的内存在 VMALLOC_START~4GB之间,这段非连续内 存区映射到物理内存也可能是非连续的

• 在内核空间中调用kmalloc()分配连续物理空间,而调用vmalloc()分配非物理连续空间。

• 把kmalloc()所分配内核空间中的地址称为内核逻辑地址

• 把vmalloc()分配的内核空间中的地址称 为内核虚拟地址

• vmalloc()在分配过程中须更新内核页表

5 总结：

1.kmalloc和vmalloc分配的是内核的内存,malloc分配的是用户的内存

2.kmalloc保证分配的内存在物理上是连续的, kmalloc()分配的内存在0xBFFFFFFF－0xFFFFFFFF以上的内存中，driver一般是用它来完成对DS的分配，更适合于类似设备驱动的程序来使用；

3.vmalloc保证的是在虚拟地址空间上的连续，vmalloc()则是位于物理地址非连续，虚地址连续区，起始位置由VMALLOL_START来决定，一般作为交换区、模块的分配。

4.kmalloc能分配的大小有限,vmalloc和malloc能分配的大小相对较大（因为vmalloc还可以处理交换空间）。

5.内存只有在要被DMA访问的时候才需要物理上连续，vmalloc比kmalloc要慢

6.vmalloc使用的正确场合是分配一大块，连续的，只在软件中存在的，用于缓冲的内存区域。不能在微处理器之外使用。

7.vmalloc 中调用了 kmalloc （GFP—KERNEL），因此也不能应用于原子上下文。

8.kmalloc和 kfree管理内核段内分配的内存，这是真实地址已知的实际物理内存块。

9.vmalloc对应于vfree，分配连续的虚拟内存，但是物理上不一定连续。

10.kmalloc分配内存是基于slab，因此slab的一些特性包括着色，对齐等都具备，性能较好。物理地址和逻辑地址都是连续的