Linux内核内存分配函数kmalloc、kzalloc和vmalloc

在内核环境中，常用的内存分配函数主要有kmalloc、kzalloc和vmalloc这三个。既然这三函数都能在内核申请空间，那么这三个函数有什么区别呢？如何选用呢？

kmalloc

首先是kmalloc，其函数原型为

// /include/linux/slab.h
void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags)

函数的特点：
申请的内存虚拟地址和物理地址都是连续的，允许申请的内存大小较小，具体的数值限制由平台和配置决定，具体可见kmalloc允许申请的内存大小。

常用的内存分配方法flags:

• GFP_ATOMIC --表明分配内存的过程是原子的，不会被高优先级的进程或者中断打断
• GFP_KERNEL – 常规分配
• GFP_DMA – 给DMA分配内存时使用，使用该标志时分配的虚拟地址和物理地址都是连续的

常见的flags组合

• 普通进程中，分配内存时可以睡眠： GFP_KERNEL
• 普通进程中，分配内存时不可以睡眠： GFP_ATOMIC
• 中断处理程序，tasklet：GFP_ATOMIC
• DMA,可以睡眠：GFP_DMA | GFP_KERNEL
• DMA,不可以睡眠：GFP_DMA | GFP_ATOMIC

kzalloc

与kmalloc基本一致，就是kmalloc的特例，是后者的封装，在flags与上了__GFP_ZERO这个标志，表示在分配完内存后对分配的内存进行清零，所以使用起来比较方便。

// /include/linux/slab.h
static inline __alloc_size(1) void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags)
{
	return kmalloc(size, flags | __GFP_ZERO);
}

kzalloc和kmalloc所对应的内存释放函数都是kfree

void kfree(const void *objp);

vmalloc

函数原型

// /include/linux/vmalloc.h
void *vmalloc(unsigned long size);

vmalloc申请的内存的虚拟地址是连续的，但其对应的物理地址不是连续的，因此其申请的内存大小没有限制，因此申请较大的内存时可以使用这个函数。vmalloc申请内存的过程中可以睡眠，因此不能用于中断上下文中。

对应的内存释放函数为

void vfree(const void *addr);

一般来说，为了性能，通常使用kzalloc/kmalloc分配内存，如果要分配的内存过大则使用vmalloc

示例程序

//mem_alloc.c
#include 
#include 
#include 

MODULE_LICENSE("GPL");

static int __init mem_alloc_init(void);
static void __exit mem_alloc_exit(void);

#define KMALLOC_SIZE 131072
#define KZALLOC_SIZE 131072
#define VMALLOC_SIZE 4194304 //4096 * 1024 bytes

char* kmalloc_pt = NULL;
char* kmalloc_pt_large = NULL;
char* kzalloc_pt = NULL;
char* vmalloc_pt = NULL;

int __init mem_alloc_init(void)
{
    printk("####### Enter Module #######\n");
    kmalloc_pt = (char*) kmalloc(KMALLOC_SIZE, GFP_KERNEL);
    if (kmalloc_pt == NULL)
    {
        return -1;
    }
    else 
    {
        printk("kmalloc 128 KB memory successfully!, addr=0x%lx\n", (unsigned long)kmalloc_pt);
    }
    //用kmalloc分配4096kb内存，会失败
    kmalloc_pt_large = (char*) kmalloc(VMALLOC_SIZE, GFP_KERNEL);
    if (kmalloc_pt_large == NULL)
    {
        printk("kmalloc 4096 KB memory failed.\n");
    }
    else 
    {
        printk("kmalloc 4096 KB memory successfully!, addr=0x%lx\n", (unsigned long)kmalloc_pt_large);
    }
    kzalloc_pt = (char*) kzalloc(KZALLOC_SIZE, GFP_KERNEL);
    if (kzalloc_pt == NULL)
    {
        return -1;
    }
    else 
    {
        printk("kzalloc 128 KB memory successfully!, addr=0x%lx\n", (unsigned long)kzalloc_pt);
    }
    //用vmalloc分配4096kb内存，成功
    vmalloc_pt = (char*) vmalloc(VMALLOC_SIZE);
    if (vmalloc_pt == NULL)
    {
        return -1;
    }
    else 
    {
        printk("vmalloc 4096 KB memory successfully!, addr=0x%lx\n", (unsigned long)vmalloc_pt);
    }
    printk("#####################\n");
    return 0;
}

void __exit mem_alloc_exit(void)
{
    printk("####### Exit Module #######\n");
    if (kmalloc_pt)
    {
        kfree(kmalloc_pt);
        printk("kfree kmalloc_pt\n");
        kmalloc_pt = NULL;
    }
    if (kmalloc_pt_large)
    {
        kfree(kmalloc_pt_large);
        printk("kfree kmalloc_pt_large\n");
        kmalloc_pt_large = NULL;
    }
    if (kzalloc_pt)
    {
        kfree(kzalloc_pt);
        printk("kfree kzalloc_pt\n");
        kzalloc_pt = NULL;
    }
    if (vmalloc_pt)
    {
        vfree(vmalloc_pt);
        printk("vfree vmalloc_pt\n");
        vmalloc_pt = NULL;
    }
    printk("exit module.\n");
    printk("#####################\n");
}

module_init(mem_alloc_init);
module_exit(mem_alloc_exit);

编译完后使用insmod命令加载模块，不使用该模块时使用rmmod命令卸载模块

使用dmesg命令查看模块加载和卸载的输出


从输出中可以看到，在我的电脑上kmalloc和kzalloc可以成功分配128kb内存，但在分配更大的4096kb内存时则失败了，而vmalloc则可以成功分配4096kb的内存。

关于kmalloc/kzalloc具体最大可以分配多大的内存由平台和配置决定，不是一个固定的值，想要弄清楚需要阅读源码。

由上，在内核编程时，申请较小内存时应该优先使用kmalloc/kzalloc,在申请较大内存时使用vmalloc。

参考

https://www.coolcou.com/linux-kernel/linux-kernel-memory-management-api/the-linux-kernel-kzalloc.html
https://blog.csdn.net/lu_embedded/article/details/51588902

https://blog.csdn.net/lunhui2016/article/details/114297346