linux内存管理之malloc、vmalloc、kmalloc的区别

1、kmalloc和vmalloc是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,内存只有在要被DMA访问的时候才需要物理上连续，malloc和vmalloc保证的是在虚拟地址空间上的连续

3、kmalloc能分配的大小有限,vmalloc和malloc能分配的大小相对较大

4、vmalloc比kmalloc要慢。尽管在某些情况下才需要物理上连续的内存块，但是很多内核代码都用kmalloc来获得内存，而不是vmalloc。这主要是出于性能的考虑。vmalloc函数为了把物理内存上不连续的页转换为虚拟地址空间上连续的页，必须专门建立页表项。糟糕的是，通过vmalloc获得的页必须一个个地进行映射，因为它们物理上是不连续的，这就会导致比直接内存映射大得多的TLB抖动，vmalloc仅在不得已时才会用--典型的就是为了获得大块内存时。

malloc的实现原理

malloc函数的实质体现在，它有一个将可用的内存块连接为一个长长的列表的所谓空闲链表(全局变量，一个内存块的链表指针)。调用malloc函数时，它沿连接表寻找一个大到足以满足用户请求所需要的内存块。然后，将该内存块一分为二（一块的大小与用户请求的大小相等，另一块的大小就是剩下的字节）。接下来，将分配给用户的那块内存传给用户，并将剩下的那块（如果有的话）返回到连接表上。调用free函数时，它将用户释放的内存块连接到空闲链上。到最后，空闲链会被切成很多的小内存片段，如果这时用户申请一个大的内存片段，那么空闲链上可能没有可以满足用户要求的片段了。于是，malloc函数请求延时，并开始在空闲链上翻箱倒柜地检查各内存片段，对它们进行整理，将相邻的小空闲块合并成较大的内存块。  malloc（）在操作系统中的实现    在 C 程序中，多次使用malloc () 和 free()。不过，您可能没有用一些时间去思考它们在您的操作系统中是如何实现的。本节将向您展示 malloc 和 free 的一个最简化实现的代码，来帮助说明管理内存时都涉及到了哪些事情。   在大部分操作系统中，内存分配由以下两个简单的函数来处理：    void *malloc (long numbytes)：该函数负责分配 numbytes 大小的内存，并返回指向第一个字节的指针。    void free(void *firstbyte)：如果给定一个由先前的 malloc 返回的指针，那么该函数会将分配的空间归还给进程的“空闲空间”。

malloc_init 将是初始化内存分配程序的函数。它要完成以下三件事：将分配程序标识为已经初始化，找到系统中最后一个有效内存地址，然后建立起指向我们管理的内存的指针。这三个变量都是全局变量：

如前所述，被映射的内存的边界（最后一个有效地址）常被称为系统中断点或者当前中断点。在很多 UNIX? 系统中，为了指出当前系统中断点，必须使用sbrk(0) 函数。 sbrk 根据参数中给出的字节数移动当前系统中断点，然后返回新的系统中断点。使用参数 0 只是返回当前中断点。这里是我们的 malloc 初始化代码，它将找到当前中断点并初始化我们的变量

现在，为了完全地管理内存，我们需要能够追踪要分配和回收哪些内存。在对内存块进行了 free 调用之后，我们需要做的是诸如将它们标记为未被使用的等事情， 并且， 在调用 malloc 时， 我们要能够定位未被使用的内存块。 因此， malloc返回的每块内存的起始处首先要有这个结构：

现在， 您可能会认为当程序调用 malloc 时这会引发问题 —— 它们如何知道这个结构？答案是它们不必知道；在返回指针之前，我们会将其移动到这个结构之后， 把它隐藏起来。 这使得返回的指针指向没有用于任何其他用途的内存。 那样，从调用程序的角度来看，它们所得到的全部是空闲的、开放的内存。然后，当通过 free() 将该指针传递回来时，我们只需要倒退几个内存字节就可以再次找到这个结构。在讨论分配内存之前，我们将先讨论释放，因为它更简单。为了释放内存，我们必须要做的惟一一件事情就是，获得我们给出的指针，回退 sizeof(structmem_control_block) 个字节，并将其标记为可用的。这里是对应的代码：

如您所见，在这个分配程序中，内存的释放使用了一个非常简单的机制，在固定时间内完成内存释放。分配内存稍微困难一些。我们主要使用连接的指针遍历内存来寻找开放的内存块。这里是代码：

这就是我们的内存管理器。现在，我们只需要构建它，并在程序中使用它即可.多次调用 malloc（）后空闲内存被切成很多的小内存片段，这就使得用户在申请内存使用时，由于找不到足够大的内存空间，malloc（）需要进行内存整理，使得函数的性能越来越低。聪明的程序员通过总是分配大小为 2 的幂的内存块，而最大限度地降低潜在的 malloc 性能丧失。也就是说，所分配的内存块大小为4 字节、8 字节、16 字节、18446744073709551616 字节，等等。这样做最大限度地减少了进入空闲链的怪异片段（各种尺寸的小片段都有）的数量。尽管看起来这好像浪费了空间，但也容易看出浪费的空间永远不会超过 50%。

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