linux内存相关

Linux内核内存申请的方式有哪些？

内核申请内存的接口，如下介绍。

kmalloc

该函数一般是用于内核申请小于page size的内存，分配的内存是物理连续的，至于kmalloc的具体实现，需要参考内核内存分配器配置的是slab、slob还是slub了。函数原型是void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags)，传递的参数，除了需要申请的内存大小以外，还有内存的类型。gfp_t flags通常使用下面的配置参数：

类型	意义
GFP_ATOMIC	不会导致休眠，可以在中断处理函数或者其他关闭中断的临界区调用。这个标识申请内存，如果系统内存不足，将会直接返回失败而不触发内存回收机制。 因为不能触发内存回收机制，通常用于分配较小的内存块，不适用于分配较大内存。
GFP_KERNEL	通用的申请类型，该类型申请可能会存在休眠。一般较大内存的申请可使用该类型，内存不足时会触发直接回收。
GFP_KERNEL_ACCOUNT	和GFP_KERNEL一样，只是说GFP_KERNEL_ACCOUNT在分配内存时会被kmemcg（‌Kernel Memory Controller，‌内核内存控制器）‌统计。
GFP_NOWAIT	不会导致休眠，申请不到内存立刻返回错误
GFP_NOIO	用于确保在内存分配过程中不进行任何I/O操作。‌这有助于在需要快速分配内存且不想在此过程中进行I/O操作的情况下使用。‌
GFP_NOFS	用于确保在内存分配过程中不进行任何文件系统调用。‌这有助于在文件系统和IO堆栈的代码路径中避免递归死锁。‌
GFP_USER	用于用户空间分配，也需要由内核或硬件直接访问。它通常被硬件用于映射到用户空间(例如图形)的缓冲区，硬件仍然可以对其进行DMA。
GFP_DMA	标识从ZONE_DMA申请
GFP_DMA32	与GFP_DMA一致，只是反馈32bit地址
GFP_HIGHUSER	用于可能映射到用户空间的用户空间分配，不需要被内核直接访问，用于从高端内存中分配内存，‌这种内存一旦被分配给用户空间使用，‌就不能再被移动。‌
GFP_HIGHUSER_MOVABLE	用于内核不需要直接访问但需要访问时可以使用kmap()的用户空间分配，它们可以通过页面回收或页面迁移来移动
GFP_TRANSHUGE_LIGHT	用于THP分配。它们是复合分配，如果内存不可用，通常会很快失败，并且不会在失败时唤醒kswapd/kcompactd。
GFP_TRANSHUGE	_LIGHT版本根本不尝试回收/压缩，默认情况下用于页面故障路径，而非light版本由khugepage使用。

vmalloc

用于申请虚拟地址连续、物理地址不连续的高端内存区域内存。函数原型是void *vmalloc(unsigned long size)，仅需要传递需要申请的大小。因为vmalloc申请的是物理地址不连续的内存，访问的时候，需要经过IOMMU映射转换，才可以得到连续的虚拟地址内存。

kmalloc()和vmalloc()函数所分配的内存都处在内核空间，即从3GB～4GB；但是位置不一样，kmalloc()分配的内存处于3GB～high_memory之间，而vmalloc()所分配的内存在VMALLOC_START~4GB之间，也就是非连续内存区。
一般情况下，在驱动程序都是调用kmalloc()来给数据结构分配内存，而vmalloc()用在为活动的交换区分配数据结构，为某些I/O驱动程序分配缓冲区，或为模块分配空间。

vmalloc()比kmalloc()要慢？

1. kmalloc()分配的物理地址与虚拟地址只有一个PAGE_OFFSET偏移，不需要为地址段修改页表；
2. vmalloc()申请的物理内存地址与虚拟地址不是一一映射的关系，需要通过页表进行转换，所以每次分配都需要对页表进行设置，当然效率比较低；

最重要的，分配大小的问题：如果只是需要小内存，那么一定用kmalloc()。

kmalloc和vmalloc是Linux内核中用于内存分配的两种函数，它们之间存在一些关键的区别。以下是对这些区别的详细解释：

1. 分配的内存类型与连续性：
   • kmalloc：它分配的是物理内存，且保证所分配的内存在物理上是连续的。这种连续性对于某些需要直接访问物理地址或进行DMA（直接存储器访问）操作的硬件设备来说是必要的。
   • vmalloc：它分配的是虚拟内存，这意味着在虚拟地址空间上，所分配的内存是连续的。然而，在物理内存中，这些页可能不是连续的。vmalloc通过映射物理页到连续的虚拟地址空间来实现这种分配。
2. 使用场景与大小限制：
   • kmalloc：通常用于分配较小的内存块，如结构体或链表节点等。由于它在物理内存池中分配，因此其大小受到可用物理内存页的限制。
   • vmalloc：更适用于分配较大的内存块，如大型数组或缓冲区。由于它不要求物理内存的连续性，因此可以跨越多个物理页进行分配，从而满足大内存块的需求。
3. 分配速度与性能：
   • 一般而言，kmalloc的分配速度可能更快，因为它直接从内核的内存池中分配物理连续的内存。而vmalloc由于需要映射物理页到虚拟地址空间，并可能涉及页表的修改，因此其分配速度可能稍慢。
4. 内存位置：
   • kmalloc分配的内存位于低端内存区域（物理内存地址小于896MB），这部分内存可以直接被访问。
   • vmalloc分配的内存可以位于高端内存区域（物理内存地址大于896MB），这些内存需要通过内核映射才能够被访问。

综上所述，kmalloc和vmalloc的主要区别在于分配的内存类型（物理或虚拟）、连续性（物理或虚拟连续）、使用场景（小块或大块内存）、分配速度以及内存位置。在选择使用哪种分配函数时，需要根据具体的应用需求和性能考虑来做出决策。

alloc_pages

以page为单位的申请物理空间连续的内存，函数原型是struct page *alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)，参数order表示需要申请的page的数量，为 2^order 个page。 alloc_pages是直接从内存管理器中获取页，而不是通过slab分配器。

ioremap

把已知未映射的物理地址映射到虚拟地址，比如设备寄存器地址，函数原型是void __iomem *ioremap(phys_addr_t offset, size_t size)，主要传递物理地址和相应的大小，映射后，就可以像访问内存般访问外设寄存器。

dma_alloc_coherent

用于分配一块内存一致的内存，即在DMA操作中对CPU和DMA设备都是一致的，常用于dma操作的buffer，不带cache。函数原型是void *dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *dma_handle, gfp_t gfp)，dev 标识设备结构体指针，用于指定哪个设备需要分配内存，而size 则是分配内存的大小，dma_handle 是返回的DMA地址，用于设备访问这个内存，gfp则是内存分配标识。

在使用dma buffer的时候，还会有一种使用方式，那就是应用申请了buffer，然后将buffer的fd传递到内核，内核需要通过fd获取dma_buf的句柄再进行访问，相应的一些调用如下：

/* 通过fd或者dma_buf的句柄 */
struct dma_buf *dmabuf = dma_buf_get(dmabuffer_fd);
/* 将dma_buf与设备关联起来，以便它能够进行DMA读写操作 */
struct dma_buf_attachment *attachment = dma_buf_attach(dmabuf, &pdev->dev);
/* 将dma buffer映射到设备 */
struct sg_table *sgt = dma_buf_map_attachment(attachment, DMA_BIDIRECTIONAL);
/* 获取dma buffer地址 */
dma_addr_t dma_address = sg_dma_address(sgt->sgl);

上面的这个操作，其中的dma_buf_attach关联设备，需要确认关联的设备是正确的，否则设备访问buffer的时候，会出现L1 PageTable Invalid以及xxx is not mapped!的报错，同时，在设备的dts中，也需要配置可访问iommu，增加iommus = <&mmu_aw 0 0>;的配置信息。