kmalloc, vmalloc分配的内存结构

From: http://linux.chinaunix.net/techdoc/system/2008/06/16/1011365.shtml

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。
　　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)
　　　　　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
#include
#include
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("pagemem addr=%x", pagemem);
　kmallocmem = (unsigned char*)kmalloc(100, 0);
　printk("kmallocmem addr=%x", kmallocmem);
　vmallocmem = (unsigned char*)vmalloc(1000000);
　printk("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。


文件:
v_k_malloc.tar.bz2
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vmalloc和kmalloc区别
kmalloc对应于kfree，可以分配连续的物理内存；
vmalloc对应于vfree，分配连续的虚拟内存，但是物理上不一定连续。
vmalloc分配内存的时候逻辑地址是连续的，但物理地址一般是不连续的，适用于那种一下需要分配大量内存的情况，如insert模块的时候。这种分配方式性能不入kmalloc。
kmalloc分配内存是基于slab，因此slab的一些特性包括着色，对齐等都具备，性能较好。物理地址和逻辑地址都是连续的
最主要的区别是
分配大小的问题。
比如你需要28个字节，那一定用KMALLOC，如果用VMALLOC，分配不多次机器就罢工了。



n

PAGE_OFFSET为3GB，high_memory为保存物理地址最高值的变量，VMALLOC_START为非连续区的起始地址

在物理地址的末尾与第一个内存区之间插入了一个8MB的区间，这是一个安全区，目的是为了“捕获”对非连续区的非法访问。出于同样的理由，在其他非连续的内存区之间也插入了4K大小的安全区。每个非连续内存区的大小都是4096的倍数。

n        vmalloc()与 kmalloc()都可用于分配内存
ü        kmalloc()分配的内存处于3GB～high_memory之间，这段内核空间与物理内存的映射一一对应
ü        vmalloc()分配的内存在VMALLOC_START～4GB之间，这段非连续内存区映射到物理内存也可能是非连续的
n        vmalloc() 分配的物理地址无需连续，而kmalloc() 确保页在物理上是连续的

n        尽管仅仅在某些情况下才需要物理上连续的内存块，但是，很多内核代码都调用kmalloc()，而不是用vmalloc()获得内存。
n        这主要是出于性能的考虑。vmalloc()函数为了把物理上不连续的页面转换为虚拟地址空间上连续的页，必须专门建立页表项。还有，通过vmalloc()获得的页必须一个一个的进行映射（因为它们物理上不是连续的），这就会导致比直接内存映射大得多的缓冲区刷新。
n        因为这些原因，vmalloc()仅在绝对必要时才会使用——典型的就是为了获得大块内存时，例如，当模块被动态插入到内核中时，就把模块装载到由vmalloc()分配的内存上。