genalloc — 通用内存分配器

genalloc 是 linux 内核提供的通用内存分配器，源码位于 lib/genalloc.c。这个分配器为独立于内核以外的内存块提供分配方法，采用的是最先适配原则，android 最新的ION 内存管理器对 ION_HEAP_TYPE_CARVEOUT 类型的内存就是采用的这个分配器。

1、基础数据结构

首先看下分配器用到的几个数据结构，struct gen_pool 用来描述一个内存池：

struct gen_pool {  
    rwlock_t lock;             /* 链表读写锁 */  
    struct list_head chunks;   /* 内存池中内存块的链表 */  
    int min_alloc_order;       /* 内存池最小分配单元的阶数，大小为 2^min_alloc_order */  
}; 

在使用的时候需要向内存池中加入内存块，一个内存块即一大块连续的物理内存，用 struct gen_pool_chunk 来描述：

struct gen_pool_chunk {  
    spinlock_t lock;              /* 操作内存块时用到的自旋锁 */  
    struct list_head next_chunk;  /* 加入内存池的节点 */  
    unsigned long start_addr;     /* 内存块的起始地址 */  
    unsigned long end_addr;       /* 内存块的结束地址 */  
    unsigned long bits[0];        /* 内存块的位图 */  
};  

2、函数接口及调用方法

genalloc 用到的函数接口有下面几个：

/* 创建一个内存池，主要工作是完成 struct gen_pool 的初始化 */  
struct gen_pool *gen_pool_create(int min_alloc_order, int nid);  
/* 向内存池中加入内存块，addr 为起始地址，size 为大小 */  
int gen_pool_add(struct gen_pool *pool, unsigned long addr, size_t size, int nid);  
/* 销毁一个内存池 */  
void gen_pool_destroy(struct gen_pool *pool);  
/* 内存池分配内存的函数 */  
unsigned long gen_pool_alloc(struct gen_pool *pool, size_t size);  
/* 内存池释放内存的函数 */  
void gen_pool_free(struct gen_pool *pool, unsigned long addr, size_t size);  

对通用内存分配器的一般使用方法如下：

/* 初始化内存池，需要创建以及加入内存块，参数为：起始地址、大小、最小分配阶数 */  
static void *mm_init(uint32_t addr, uint32_t size, uint32_t order)  
{  
    struct gen_pool *pool;  
  
    pool = gen_pool_create(order, 0);  
    if (pool == NULL) {  
        return NULL;  
    }  
    if (gen_pool_add(pool, addr, size, 0) != 0) {  
        gen_pool_destroy(pool);  
        return NULL;  
    }  
    return pool;  
}  
  
/* 销毁内存池 */  
static void mm_exit(void *handle)  
{  
    gen_pool_destroy(handle);  
}  
  
/* 分配函数 */  
static uint32_t mm_alloc(void *handle, uint32_t size)  
{  
    return gen_pool_alloc(handle, size);  
}  
  
/* 释放函数 */  
static void mm_free(void *handle, uint32_t addr, uint32_t size)  
{  
    return gen_pool_free(handle, addr, size);  
}  
  
/* 提供给上一级内存管理器调用 */  
struct xxx_mem_ops mm_ops = {  
    .init = mm_init,  
    .exit = mm_exit,  
    .alloc = mm_alloc,  
    .free = mm_free,  
};  

3、分配函数解析

genalloc 通过 gen_pool_alloc 函数来分配内存，下面我们分析一下这个函数的代码：

unsigned long gen_pool_alloc(struct gen_pool *pool, size_t size)  
{  
    struct list_head *_chunk;  
    struct gen_pool_chunk *chunk;  
    unsigned long addr, flags;  
    int order = pool->min_alloc_order;  
    int nbits, bit, start_bit, end_bit;  
    if (size == 0)  
        return 0;  
    nbits = (size + (1UL << order) - 1) >> order;  /* 计算申请的内存需要几个连续的最小单元 */  
    read_lock(&pool->lock);  
    list_for_each(_chunk, &pool->chunks) {         /* 遍历内存池 */  
        chunk = list_entry(_chunk, struct gen_pool_chunk, next_chunk);  
        end_bit = (chunk->end_addr - chunk->start_addr) >> order;        /* 计算当前内存池长度 */  
        end_bit -= nbits + 1;  
  
        spin_lock_irqsave(&chunk->lock, flags);  
        bit = -1;  
        while (bit + 1 < end_bit) {  /* 循环查找最先适配的内存区 */  
            bit = find_next_zero_bit(chunk->bits, end_bit, bit + 1);     /* 寻找为0的bit */  
            if (bit >= end_bit)      /* 循环结束 */  
                break;  
  
            start_bit = bit;         /* 起始位置 */  
            if (nbits > 1) {         /* 如果申请的内存大于一个最小单元，查找连续的nbits个单元 */  
                bit = find_next_bit(chunk->bits, bit + nbits,bit + 1);  
                if (bit - start_bit < nbits)  
                    continue;  
            }  
  
            addr = chunk->start_addr + ((unsigned long)start_bit << order);  /* 计算申请的内存的起始地址 */  
            while (nbits--)  
                __set_bit(start_bit++, chunk->bits);  /* 将申请到的单元全部标记为已用 */  
            spin_unlock_irqrestore(&chunk->lock, flags);  
            read_unlock(&pool->lock);  
            return addr;  
        }  
        spin_unlock_irqrestore(&chunk->lock, flags);  
    }  
    read_unlock(&pool->lock);  
    return 0;  
}  

因为是用的最先适配原则，所以逻辑比较简单，我们也可以根据自己的需求实现最适合分配器以及伙伴分配器。

附1、buddy 分配器

平台实现了一个 buddy 分配器，代码很精致：

struct buddy_unit {  
    uint8_t         used:1;     /* 1 if allocated, 0 if free */  
    uint8_t         order:7;    /* size of the region in buddy space */  
};  
  
struct buddy_pool {  
    uint32_t        addr;       /* the start addr of the buddy area */  
    uint32_t        size;       /* the total size of the buddy area */  
    uint32_t        order;      /* the base order of each unit */  
    uint32_t        total;      /* total units */  
    uint32_t        free;       /* unused units */  
    struct buddy_unit   *bitmap;    /* the bitmap of all buddy units */  
    spinlock_t      lock;  
};  
  
struct buddy_pool *buddy_create(uint32_t addr, uint32_t size, uint32_t order)  
{  
    struct buddy_pool *pool;  /* buddy内存池 */  
    uint32_t end;  
    int index, uorder;  
    /* 以 2^order = 2^15 = 32KB 为管理单元修正参数 */  
    end = (addr + size) & ~((1 << order) - 1);  /* buddy区结束地址 */  
    addr = addr & ~((1 << order) - 1);          /* buddy区起始地址 */  
    if (end <= addr) {  
        return NULL;  
    }  
    /* 实例化buddy内存池 */  
    pool = kmalloc(sizeof(struct buddy_pool), GFP_KERNEL);  
    if (pool == NULL) {  
        return NULL;  
    }  
    pool->total = size >> order;  /* buddy区以32KB为单元的内存块总数 */  
  
    /* 申请管理位图,每个单元占用一个字节 */  
    pool->bitmap = kzalloc(sizeof(struct buddy_unit) * pool->total, GFP_KERNEL);  
    if (pool->bitmap == NULL) {  
        kfree(pool);  
        return NULL;  
    }  
  
    /* 初始化各参数 */  
    pool->free = pool->total;  
    pool->addr = addr;  
    pool->size = size;  
    pool->order = order;  
    spin_lock_init(&pool->lock);  
  
    mdbg("create buddy: total=%d, order=%d\n", pool->total, pool->order);  
  
    /* initialize the bitmap orders */  
    index = 0;  
    uorder = BUDDY_MAX_ORDER;  /* buddy区最大的分配阶数 */  
    while (index < pool->total) {  
        while (index + (1 << uorder) > pool->total) {  
            uorder--;  /* e.g: 2^24 = 16MB, total = 2^9, uorder = 9 */  
        }  
        pool->bitmap[index].order = uorder; /* 只初始化buddy的第一个成员 */  
        index += 1 << uorder;  
    }  
  
    return pool;  
}  
  
uint32_t buddy_alloc(struct buddy_pool *pool, uint32_t size)  
{  
    int i, order, buddy, index = -1;  
  
    /* 获取申请内存长度的order */  
    for (i = 0; i <= BUDDY_MAX_ORDER; i++) {  
        if ((1 << (pool->order + i)) >= size) {  
            break;  
        }  
    }  
    if (i > BUDDY_MAX_ORDER) {  
        minfo("size is too big: 0x%08x\n", size);  
        return 0;  
    }  
    order = i;  
  
    spin_lock(&pool->lock);  
    i = 0;  
    do {  /* 扫描管理位图 */  
        mdbg("index = %d\n", index);  
        /* 判断当前内存单元是否已经被申请 */  
        if (pool->bitmap[i].used == 0) {  /* 如果没有被申请 */  
            if (order == pool->bitmap[i].order) {  /* 如果当前order与申请的order相同则跳出循环 */  
                /* matched order */  
                index = i;  /* 将编号赋给index */  
                break;  
            } else if (order < pool->bitmap[i].order) {  /* 如果申请order小于当前order */  
                /* get the best fit buddy unit */  
                if (index == -1) {  /* 如果是第一次匹配 */  
                    index = i;  
                } else if (pool->bitmap[i].order < pool->bitmap[index].order) {/* 当前order小于上次匹配的order */  
                    index = i;  /* 则将匹配order更新为当前值,这样可以保证是用的最小的buddy来分裂 */  
                }  
            }  
        }  
        i += 1 << pool->bitmap[i].order;  /* 移动到下一个可以分配单元 */  
    } while (i < pool->total);  
  
    /* no free buddy unit found */  
    if (index == -1) {  
        spin_unlock(&pool->lock);  
        minfo("no buddy found!\n");  
        return 0;  
    }  
  
    /* 如果申请order小于找到的order,则将找到的buddy分裂,直到相等 */  
    while (order < pool->bitmap[index].order) {  
        pool->bitmap[index].order--;  /* 将当前buddy的order减一 */  
        /* Buddy# = Slot# ^ (1 << order) */  
        buddy = index ^ (1 << pool->bitmap[index].order);       /* 找到分裂出来的buddy */  
        pool->bitmap[buddy].order = pool->bitmap[index].order;  /* 将分裂出来的buddy的order也减一 */  
    }  
    pool->bitmap[index].used = 1;      /* 将找到的buddy标记为已用 */  
    pool->bitmap[index].order = order; /* 重复赋值? */  
    pool->free -= (1 << order);        /* 总的空闲单元数减去申请成功的单元数 */  
    spin_unlock(&pool->lock);  
    return pool->addr + (index << pool->order);  /* 返回申请到内存块的起始物理地址 */  
}