Linux内存分配相关函数详解

Linux内存分配相关函数详解 kmalloc()、kzalloc()、vmalloc().

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• 动态申请内存
  • MMU
    • 操作系统中的内存管理
    • 虚拟内存机制
    • 页式内存管理
  • 内核虚拟内存布局
  • kmalloc()与kfree()
  • kzalloc()
  • vmalloc()、vfree()
  • 总结

动态申请内存.

在应用层中，用户空间动态申请内存空间的函数有不少，如 malloc()、calloc()、realloc()等函数，众所周知，动态分配的内存使用完后必须要释放，否者将会造成内存泄漏，所以与其对应的用户空间内存释放函数 free()。

MMU.

MMU是Memory Management Unit的缩写，中文名是内存管理单元，有时称作分页内存管理单元（英语：paged memory management unit，缩写为PMMU）。它是一种负责处理中央处理器（CPU）的内存访问请求的计算机硬件。它的功能包括虚拟地址到物理地址的转换（即虚拟内存管理）、内存保护、中央处理器高速缓存的控制，在较为简单的计算机体系结构中，负责总线的仲裁以及存储体切换（bank switching，尤其是在8位的系统上）。
——————来自百度百科的介绍

简单来说，MMU就是内存管理单元，负责虚拟地址和物理地址之间的转换、内存保护。

场景介绍：

• ARM Cortex-M系列是没有MMU，只能跑ucos、freertos、rt-thread等实时操作系统。
• ARM Cortex-A系列是往往具有MMU，可以跑Linux、WinCE。

操作系统中的内存管理.

• 应用程序开发的时候，面对的内存都是虚拟内存。
• 每个进程拥有独立私有的虚拟地址空间
• 虚拟内存与实际物理内存是无关的，是一个假想的足够大的内存（4GB = 128MB（物理内存）+硬盘空间）

虚拟内存机制.

• 虚拟内存需要重新映射到物理内存
• 虚拟地址映射到物理内存中的真实地址
• 每次进程的少量代码在物理内存中执行
• 大部分的进程代码存在存储器中

页式内存管理.

• 页 是单位名称，Linux大小为4KB
• 虚拟内存和物理内存以页为单位进行管理
• 进程的活动页被载入内存时候，记录页的映射地址
• 页式管理将内存地址分为两个部分：
  • 地址高位，页面号
  • 地址低位，业内偏移量

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内核虚拟内存布局.

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[ 0.000000] Memory: 1024MB = 1024MB total ---->内存的大小是1GB [ 0.000000] Memory: 810820k/810820k available, 237756k reserved, 272384K highmem [ 0.000000] Virtual kernel memory layout: [ 0.000000] vector : 0xffff0000 - 0xffff1000 ( 4 kB) ---->存放中断向量表 [ 0.000000] fixmap : 0xfff00000 - 0xfffe0000 ( 896 kB) ---->固定映射区，留作特定用途 [ 0.000000] vmalloc : 0xef800000 - 0xfee00000 ( 246 MB) ---->vmalloc()分配内存的区 [ 0.000000] lowmem : 0xc0000000 - 0xef600000 ( 758 MB) ---->低端内存区，属于GFP_KERNEL标志 [ 0.000000] pkmap : 0xbfe00000 - 0xc0000000 ( 2 MB) ---->永久映射，高端内存页框到内核地址空间的长期映射 [ 0.000000] modules : 0xbf000000 - 0xbfe00000 ( 14 MB) ---->#insmod *.ko module存放段 [ 0.000000] .text : 0xc0008000 - 0xc0a51018 (10533 kB) ---->代码段和只读的数据段 [ 0.000000] .init : 0xc0a52000 - 0xc0a8f100 ( 245 kB) ---->初始化段，使用__init修饰初始化函数 [ 0.000000] .data : 0xc0a90000 - 0xc0b297d8 ( 614 kB) ---->可读写的数据段 [ 0.000000] .bss : 0xc0b297fc - 0xc0d09488 (1920 kB) ---->未初始化的数据段 [ 0.000000] SLUB: Genslabs=11, HWalign=64, Order=0-3, MinObjects=0, CPUs=8, Nodes=1

由上可知，当使用 kmalloc、kzalloc函数 ，会在 lowmem : 0xc0000000 - 0xef600000 地址空间里申请内存。
当使用 vmalloc函数 ，会在 vmalloc : 0xef800000 - 0xfee00000 地址空间里申请内存。

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kmalloc()与kfree().

1 2	#include void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags)；

kmalloc() 申请的内存位于物理内存映射区域，而且在物理上也是连续的，它们与真实的物理地址只有一个固定的偏移，因为存在较简单的转换关系，所以对申请的内存大小有限制，不能超过128KB。

参数	功能
size	申请的内存大小(字节)
flags	分配内存的方法
—-
falgs	具体方法
:–:	:–:
GFP_ATOMIC	分配内存的过程是一个原子过程，分配内存的过程不会被（高优先级进程或中断）打断
GFP_KERNEL	正常分配内存
GFP_DMA	给 DMA 控制器分配内存，需要使用该标志（DMA要求分配虚拟地址和物理地址连续

对应的内存释放函数为：

1	void kfree(const void *objp);

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kzalloc().

kzalloc() 函数与 kmalloc() 非常相似，参数及返回值是一样的，可以说是前者是后者的一个变种，因为 kzalloc() 实际上只是额外附加了 __GFP_ZERO 标志。所以它除了申请内核内存外，还会对申请到的内存内容清零。

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/** * kzalloc - allocate memory. The memory is set to zero. * @size: how many bytes of memory are required. * @flags: the type of memory to allocate (see kmalloc). */ static inline void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags) { return kmalloc(size, flags | __GFP_ZERO); }

kzalloc() 对应的内存释放函数也是 kfree()。

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vmalloc()、vfree().

1 2	#include void *vmalloc(unsigned long size);

vmalloc() 函数则会在虚拟内存空间给出一块连续的内存区，但这片连续的虚拟内存在物理内存中并不一定连续。由于 vmalloc() 没有保证申请到的是连续的物理内存，因此对申请的内存大小可以比较大，关于申请内存的大小要根据/proc/meminfo文件中的“VmallocChunk”剩余多少空间可以申请，示例如下：

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#cat /proc/meminfo ... ... ... VmallocTotal: 34359738367 kB VmallocUsed: 0 kB VmallocChunk: 0 kB ... ... ...

上述输出信息 VmallocChunk: 34359738367 kB ，最多申请34359738367 kB内存。

注意：
vmalloc() 和 vfree() 可以睡眠，因此不能从中断上下文调用。

总结.

kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的共同特点是：

• 用于申请内核空间的内存；
• 内存以字节为单位进行分配；
• 所分配的内存虚拟地址上连续；

kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的区别是：

• kzalloc 是强制清零的 kmalloc 操作；（以下描述不区分 kmalloc 和 kzalloc）
• kmalloc 分配的内存大小有限制（128KB），而 vmalloc 限制只与剩余空间大小有关；
• kmalloc 可以保证分配的内存物理地址是连续的，但是 vmalloc 不能保证；
• kmalloc 分配内存的过程可以是原子过程（使用 GFP_ATOMIC），而 vmalloc 分配内存时则可能产生阻塞；
• kmalloc 分配内存的开销小，因此 kmalloc 比 vmalloc 要快；

一般情况下，内存只有在要被 DMA 访问 的时候才需要物理上连续，但为了性能上的考虑，内核中一般使用 kmalloc()，而只有在需要获得大块内存时才使用 vmalloc()。
例如，当模块被动态加载到内核当中时，就把模块装载到由 vmalloc() 分配的内存上。

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