linux内存管理机制--学习整理汇总（2）
Linux 内存分配算法
内存管理算法——对讨厌自己管理内存的人来说是天赐的礼物
1、内存碎片
1) 基本原理
产生原因：内存分配较小，并且分配的这些小的内存生存周期又较长，反复申请后将产生内存碎片的出现
优点：提高分配速度，便于内存管理，防止内存泄露
缺点：大量的内存碎片会使系统缓慢，内存使用率低，浪费大
2) 如何避免内存碎片
少用动态内存分配的函数(尽量使用栈空间)
分配内存和释放的内存尽量在同一个函数中
尽量一次性申请较大的内存，而不要反复申请小内存
尽可能申请大块的 2 的指数幂大小的内存空间
外部碎片避免——伙伴系统算法
内部碎片避免——slab 算法
自己进行内存管理工作，设计内存池
slab 算法——基本原理
1) 基本概念
Linux 所使用的 slab 分配器的基础是 Jeff Bonwick 为 SunOS 操作系统首次引入的一种算法。
它的基本思想是将内核中经常使用的对象放到高速缓存中，并且由系统保持为初始的可利用状态。比如进程描述符，内核中会频繁对此数据进行申请和释放
2) 内部碎片
已经被分配出去的的内存空间大于请求所需的内存空间3) 基本目标
减少伙伴算法在分配小块连续内存时所产生的内部碎片
将频繁使用的对象缓存起来，减少分配、初始化和释放对象的时间开销
通过着色技术调整对象以更好的使用硬件高速缓存
9、内核态内存池
1) 基本原理
先申请分配一定数量的、大小相等(一般情况下) 的内存块留作备用
当有新的内存需求时，就从内存池中分出一部分内存块，若内存块不够再继续申请新的内存
这样做的一个显著优点是尽量避免了内存碎片，使得内存分配效率得到提升
2) 内核 API
mempool_create 创建内存池对象
mempool_alloc 分配函数获得该对象
mempool_free 释放一个对象
mempool_destroy 销毁内存池
DMA 内存
1) 什么是 DMA
直接内存访问是一种硬件机制，它允许外围设备和主内存之间直接传输它们的 I/O 数据，而不需要系统处理器的参与
2) DMA 控制器的功能
能向 CPU 发出系统保持（HOLD）信号，提出总线接管请求
当 CPU 发出允许接管信号后，负责对总线的控制，进入 DMA 方式
能对存储器寻址及能修改地址指针，实现对内存的读写操作
能决定本次 DMA 传送的字节数，判断 DMA 传送是否结束
发出 DMA 结束信号，使 CPU 恢复正常工作状态
3) DMA 信号
DREQ：DMA 请求信号。是外设向 DMA 控制器提出要求，DMA 操作的申请信号
DACK：DMA 响应信号。是 DMA 控制器向提出 DMA 请求的外设表示已收到请求和正进行处理的信号
HRQ：DMA 控制器向 CPU 发出的信号，要求接管总线的请求信号。
HLDA：CPU 向 DMA 控制器发出的信号，允许接管总线的应答信号：
1、内存的使用场景
page 管理
slab（kmalloc、内存池）
用户态内存使用（malloc、relloc 文件映射、共享内存）
程序的内存 map（栈、堆、code、data）
内核和用户态的数据传递（copy_from_user、copy_to_user）
内存映射（硬件寄存器、保留内存）
DMA 内存
2、用户态内存分配函数
alloca 是向栈申请内存,因此无需释放
malloc 所分配的内存空间未被初始化，使用 malloc() 函数的程序开始时(内存空间还没有被重新分配) 能正常运行，但经过一段时间后(内存空间已被重新分配) 可能会出现问题
calloc 会将所分配的内存空间中的每一位都初始化为零
realloc 扩展现有内存空间大小
a) 如果当前连续内存块足够 realloc 的话，只是将 p 所指向的空间扩大，并返回 p 的指针地址。这个时候 q 和 p 指向的地址是一样的
b) 如果当前连续内存块不够长度，再找一个足够长的地方，分配一块新的内存，q，并将 p 指向的内容 copy 到 q，返回 q。并将 p 所指向的内存空间删除
mmap 将一个文件或者其它对象映射进内存，多进程可访问
3、内核态内存分配函数函数分配原理最大内存其他_get_free_pages直接对页框进行操作4MB适用于分配较大量的连续物理内存kmem_cache_alloc基于 slab 机制实现128KB适合需要频繁申请释放相同大小内存块时使用kmalloc基于 kmem_cache_alloc 实现128KB最常见的分配方式，需要小于页框大小的内存时可以使用vmalloc建立非连续物理内存到虚拟地址的映射物理不连续，适合需要大内存，但是对地址连续性没有要求的场合dma_alloc_coherent基于_alloc_pages 实现4MB适用于 DMA 操作ioremap实现已知物理地址到虚拟地址的映射适用于物理地址已知的场合，如设备驱动alloc_bootmem在启动 kernel 时，预留一段内存，内核看不见小于物理内存大小，内存管理要求较高
4、malloc 申请内存
调用 malloc 函数时，它沿 free_chuck_list 连接表寻找一个大到足以满足用户请求所需要的内存块