[Happy Coding] malloc/kmalloc/vmalloc/slab cache/__get_free_page

1. malloc/free
malloc/free是C库函数，用来给用户态程序分配和释放内存，处理的内存地址是虚拟地址。能够保证虚拟地址是连续的，但不能保证物理地址是连续。glibc调用brk(sbrk)/mmap系统函数来实现内存的分配。


2. kmalloc/kfree
kmalloc/kfree是linux内核定义的函数，只能被内核态程序调用，用来给内核程序分配和释放内存。<strong>kmalloc返回的地址是虚拟地址</strong>，而且虚拟地址和实际物理地址都是连续的。kmalloc返回的虚拟地址通常与物理地址相差PAGE_OFFSET偏移量。
它们的接口声明如下：

void* kmalloc(size_t size, int flags);
void kfree(const void* ptr);

具有与malloc/free类似的接口，除了kmalloc的第二个参数flags。这个参数通常用来控制内存分配的行为。


kmalloc内部是调用Linux内核中的slab内存分配器，是寻找可用的内存。


关于malloc和kmalloc的区别：

There are two major differences: 


kmalloc returns physically contiguous memory, malloc does not guarantee anything about the physical memory mapping. 


The other main difference is that kmalloc'ed memory is reserved and locked, it cannot be swapped. malloc does not actually allocate physical memory. Physical memory gets mapped later, during use. 


Memory is subject to fragmentation. You may have many megabytes of free memory left, but a 8K kmalloc (on a 4k page machine) can still fail. Things like the buddy allocator help but can't always guarantee large unfragmented blocks. 


If you don't need contiguous mapping in kernel space, you can use vmalloc to avoid the fragmentation problem, at the cost of some MMU overhead. 


Userspace memory (via malloc) is virtual - immediately after the call, the same non-writable zero page is mapped into every 4K block of your memory region. Only when you write to a page, a physical memory page is mapped for you at that location. 


If swap is enabled, that page may be 'borrowed' from some other process, after the contents are deposited in the swap file.

3. vmalloc/vfree
vmalloc/vfree同样是linux内核定义的函数，只能被内核态程序调用。工作方式类似于kmalloc，只不过前者分配的内存虚拟地址是连续的，而物理地址则无需连续。vmalloc只能确保也在页在物理地址空间内是连续的。它通过分配非连续的物理内存块，再“修正”页表，把内存映射到逻辑地址空间的连续区域中，就能做到这点。由于vmalloc需要把物理上不连续的页转化为虚拟地址空间上连续的页，必须专门建立页表项，而且必须以一个页一个页地进行映射（这会导致比直接内存映射大得多的TLB抖动）。所以即使是分配一页的内存空间，也没必要用vmalloc来申请。
它们的接口声明如下：

void* vmalloc(unsigned long size);
void vfree(void* ptr);

在vmalloc内部是通过调用__get_free_pages来迭代分配页内存的（故而物理内存地址不连续），同时用kmalloc(GFP_KERNEL)来为页表分配内存，故而该函数可能睡眠。vfree是用可能睡眠。


4. slab cache
slab allocator为linux内核提供小结构对象的分配提供缓存机制。每个slab cache挂接3个链表: full slabs, partial slabs, 和empty slabs.每个链表都是循环双向链表，链表元素为一个slab。而每个slab管理一页或多页（linux中通常是一页)的内存空间，这一页内存空间中存储着多个相同大小的结构体对象。不同slab cache统一管理不同size的结构体对象。譬如task_struct_cachep管理task_struct结构体对象的分配和回收。


申请分配一个slab会调用__get_free_page一次性获取一页的内存空间，然后对一页建立一个slab管理中心。


5. __get_free_page类函数
__get_free_page类函数采用buddy allocator system来分配内存，分配的内存对齐到PAGE_SIZE。
alloc_page函数返回一个page结构体指针，page结构体是与物理页相关，而并非与虚拟页相关。但是它结构体中有一成员void* virtual，来用描述物理页对应的虚拟页的地址。当获取page之后，可用通过调用page_address(page)获取虚拟地址，相对应地，通过__get_free_page返回的虚拟地址，然后调用函数virt_to_page(addr)就可以得到page。