[经典]Linux内核中get_free_page、kmalloc和vmalloc函数的区别(示例Module)

　　对于提供了MMU（存储管理器，辅助操作系统进行内存管理，提供虚实地址转换等硬件支持）的处理器而言，Linux提供了复杂的存储管理系统，使得进程所能访问的内存达到4GB。

　　进程的4GB内存空间被人为的分为两个部分--用户空间与内核空间。用户空间地址分布从0到3GB(PAGE_OFFSET，在0x86中它等于0xC0000000)，3GB到4GB为内核空间。如下图所示：

　　内核空间中，从3G到vmalloc_start这段地址是物理内存映射区域（该区域中包含了内核镜像、物理页框表mem_map等等），比如我们使用 的 VMware虚拟系统内存是160M，那么3G～3G+160M这片内存就应该映射物理内存。在物理内存映射区之后，就是vmalloc区域。对于 160M的系统而言，vmalloc_start位置应在3G+160M附近（在物理内存映射区与vmalloc_start期间还存在一个8M的gap 来防止跃界），vmalloc_end的位置接近4G(最后位置系统会保留一片128k大小的区域用于专用页面映射)，如下图：

　　kmalloc和get_free_page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，因此存在较简单的转换关系，virt_to_phys()可以实现内核虚拟地址转化为物理地址：

　　#define __pa(x) ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)

　　extern inline unsigned long virt_to_phys(volatile void * address)

　　{

　　return __pa(address);

　　}

　　上面转换过程是将虚拟地址减去3G（PAGE_OFFSET=0XC000000）。

　　与之对应的函数为phys_to_virt()，将内核物理地址转化为虚拟地址：

　　#define __va(x) ((void *)((unsigned long)(x)+PAGE_OFFSET))

　　extern inline void * phys_to_virt(unsigned long address)

　　{

　　return __va(address);

　　}

　　virt_to_phys()和phys_to_virt()都定义在include/asm-i386/io.h中。

　　而vmalloc申请的内存则位于vmalloc_start～vmalloc_end之间，与物理地址没有简单的转换关系，虽然在逻辑上它们也是连续的，但是在物理上它们不要求连续。

　　我们用下面的程序来演示kmalloc、get_free_page和vmalloc的区别：

　　#include <linux/module.h>

　　#include <linux/slab.h>

　　#include <linux/vmalloc.h>

　　MODULE_LICENSE("GPL");

　　unsigned char *pagemem;

　　unsigned char *kmallocmem;

　　unsigned char *vmallocmem;

　　int __init mem_module_init(void)

　　{

　　//最好每次内存申请都检查申请是否成功

　　//下面这段仅仅作为演示的代码没有检查

　　pagemem = (unsigned char*)get_free_page(0);

　　printk("<1>pagemem addr=%x", pagemem);

　　kmallocmem = (unsigned char*)kmalloc(100, 0);

　　printk("<1>kmallocmem addr=%x", kmallocmem);

　　vmallocmem = (unsigned char*)vmalloc(1000000);

　　printk("<1>vmallocmem addr=%x", vmallocmem);

　　return 0;

　　}

　　void __exit mem_module_exit(void)

　　{

　　free_page(pagemem);

　　kfree(kmallocmem);

　　vfree(vmallocmem);

　　}

　　module_init(mem_module_init);

　　module_exit(mem_module_exit);

　　我们的系统上有160MB的内存空间，运行一次上述程序，发现pagemem的地址在0xc7997000（约3G+121M）、kmallocmem 地址在0xc9bc1380（约3G+155M）、vmallocmem的地址在0xcabeb000（约3G+171M）处，符合前文所述的内存布局。