linux设备驱动归纳总结（五）：1.在内核空间分配内存
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一般的，用户空间使用函数malloc在堆上分配内存空间，同样的，在内核空间同样有一套类似的函数来分配空间。下面的知识会涉及页式管理的内存机制，如果不懂的要先复习一下，在S3C2440数据手册的MMU部分有介绍。
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一、内核空间和用户空间有什么不同
学c语言的时候应该学过，从用户空间看，每个进程都傻乎乎的以为自己有4G的内存空间，其中位于高地址（3G-4G）的1G空间给内核用，另外的3G（0-3G）都是它一个人独占的。所以用户空间很慷慨的把3G的空间分了好几个区域，如堆、栈、代码段等。其中，malloc()分配的空间位于堆，而程序中的自动变量，如你在函数内定义的“int i”，它是放在栈上，同时。用户空间的栈是可变栈，即随着数据的增多，对应函数的栈空间也会增多。
跟每个用户空间的进程不一样，内核只有1G的空间，同时，除了自己本身有进程运行外，内核还要允许用户空间进程调用系统调用进入内核空间去执行。所以，内核对此相当吝啬，它规定在内核中的每个进程都只有4KB或8KB（32位下）的定长栈。出于这样的原因，大的数据结构就不能在栈中分配，只能请求内核分配新的空间来存放数据，如函数kmalloc()。
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二、内存的基本单位是字节吗？
在介绍分配内存空间的函数前，我们还要了解一下内存是怎么被划分的。
内核不仅知道用户空间中看到的1G内核空间是假的，它还知道实际的物理内存是多少（我的开发板是64M）。所以，内核的其中一个任务就是，当这段虚假内存中的数据需要调用时，内核把这段虚拟内存与实际的物理内存对应上，运行完后又把两段内存的对应关系撤销掉给另外的虚拟内存用。
既然知道虚拟内存与物理内存的关系，那它们是怎么对应的，难道是一个一个字节？如果这样子做的话内核肯定觉得崩溃。
页是内存管理的基本单位。内存管理器（MMU，用于虚拟地址与物理地址之间的转换）通常以页为单位进行出来。页是内存管理的最小单位。在32位的系统中，一页的大小为4KB。所以，64M的物理内存将被分为16384个页。每一个物理页对应地用一个struct page来维护，注意，该结构体是用来维护物理页，而不是虚拟也，结构体记录该页是否被使用，对应的虚拟地址是多少等信息。
由于内存访问的限制，内核又把内存分成了3个区。
如有些硬件的访问只能在24位的地址空间寻址，出于这总访问限制，linux把前16MB划分为ZONE_DMA——用于直接内存访问（MDA）。
在x86体系里，高于896M的内存空间称为高端内存，这段内存区域的页和普通的内存页操作后有差异，这段区域划分为ZONE_HIGHMEM。
剩下的，加载这两段区域之间的就是我们平时用的普通内存区域——ZONE_NORMAL。
这这里要注意一下：
1）这些分区是指linux自己分的，当然，如果普通分区不够用，当然也可以占用其他区的空间。
2）分区的大小是根据体系结构而定的，一般的ARM下，ZONE_NORMAL就是所有的可用内存区域。
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三、分配内存时使用的标记gfp_mask
在讲如何分配内存之前，先讲一下分配内存时将会用到的gfp_mask。简单地讲，这个标记指定了分配内存时的要求。具体分三类：
行为修饰符：表示内核应当如何分配内存，如指定不能休眠等。
区修饰符：指定内存将要分配到上面讲的三个区中的哪一个。
类型标记：这包含了上面两种修饰符（或运算），这些标记是为了让用户更好地去使用。
标记有很多，我这里不一一介绍，需要的可以自己查阅《linux内核设计与实现（第三版）》P238页。这里我讲两个常用的类型标记：
1）GFP_KERNEL：最常用的标记，用于可睡眠的进程上下文。
2）GFP_ATOMIC：使用了这个标记，内存分配函数不会引起随眠。
3）GFP_USER：当需要给用户空间分配内存空间时使用该标记。
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四、分配内存的第一种方法——按页分配
这是内核提供的一种请求内存的底层机制，都是以页为单位分配内存。以下函数包含在<linux/gfh.h>
这分为两个步骤：
1、请求内核分配页，获得物理页对应的结构体struct page：
static inline struct page * alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)
使用：
该函数用于申请(1<<other)——即2的other次方个连续物理页，gfp_mask用于指定分配的方式，一般使用GFP_KERNEL或GFP_ATOMIC。注意：函数会引起睡眠
返回值：
成功返回一个指针，指向这连续物理页的第一个struct page结构体，失败返回NULL。
2、分配页后还不能直接用，需要得到该页对应的虚拟地址：
void *page_address(struct page *page)
其实这个函数就是获取page的成员virtual，但千万不要直接访问，需要使用这个函数。函数返回的是物理页对应的虚拟地址，注意，如果你申请了多个物理页，分配的物理页是连续的，对应的虚拟地址也是连续的。
上面的两个步骤其实可以合成一个函数：
unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)
这个函数的传参和alloc_pages的一样，不过它直接返回申请的物理页对应的虚拟地址。
当然，无论使用上面的哪种方法，当内存不用时，需要调用函数释放：
1、如果你使用上面的第一种方法：
void __free_pages(struct page *page, unsigned int order)
2、如果你使用的是第二种方法：
void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order)
下面来个程序：
/*5th_mm/5th_mm_1/1st/test.c*/
1 #include <linux/module.h>
2 #include <linux/init.h>
3
4 #include <linux/mm.h>
5
6 struct page *p;
7 char *s;
8
9 static int __init test_init(void) //模块初始化函数
10 {
11 unsigned long virt, phys;
12
13 #define SWITCH 0 //通过定义这个来切换校验这两种不同的方法
14 #if SWITCH
15 //alloc 2 pages
16 p = alloc_pages(GFP_KERNEL, 1);
17 if (NULL == p){ //必须检验错误
18 printk("alloc page error!\n");
19 return - ENOMEM;
20 }
21 s = page_address(p);
22 #else
23 s = (char *)__get_free_pages(GFP_KERNEL, 1);
24 if (NULL == s){
25 printk("alloc page error!\n");
26 return - ENOMEM;
27 }
28 #endif
29
30 phys = __pa((unsigned long)s); //通过虚拟地址获得对应的物理地址
31 virt = (unsigned long)__va(phys); //通过物理地址获得对应的虚拟地址
32 printk("<p->virtual, s>[%p]\n", s); //打印获得的虚拟地址
33 printk("<phys>[%p]\n", (void *)phys); //打印对应的物理地址
34 printk("<virt>[%p]\n", (void *)virt); //再打印虚拟地址，其实就是分配函数返回的地址
35
36 memcpy(s, "hello mm", 20);
37
38 printk("hello kernel\n");
39 return 0;
40 }
41
42 static void __exit test_exit(void) //模块卸载函数
43 {
44 #if SWITCH
45 __free_pages(p, 1);
46 #else
47 free_pages((unsigned long)s, 1);
48 #endif
49
50 printk("good bye kernel\n");
51 }
52
53 module_init(test_init);
54 module_exit(test_exit);
55
56 MODULE_LICENSE("GPL");
57 MODULE_AUTHOR("xoao bai");
58 MODULE_VERSION("v0.1");
再检验一下：
[root: 1st]# insmod test.ko
<p->virtual, s>[c3968000] //虚拟地址
<phys>[33968000] //对应的实际地址
<virt>[c3968000]
hello kernel [hello mm] //打印出来了，hello美眉！
上面我分配了两页后什么也没做，当然，如果你要是只分配一页，内核有贴心函数：
#define alloc_page(gfp_mask) alloc_pages(gfp_mask, 0)
#define __get_free_page(gfp_mask) __get_free_pages((gfp_mask),0)
另外还有一个函数，不仅给你分配一页空间，还帮你清零了，特别适用于给用户空间分配内存。
nsigned long get_zeroed_page(gfp_t gfp_mask)
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五、分配内存的第二种方法——kmalloc()
kmalloc()的用法和malloc差不多，只是多了一个我前面介绍的标志gfp_flag。
上函数，需要包含头文件<linux/slab.h>
void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags)
成功返回指向这块内存的地址（虚拟地址），失败返回NULL。这里注意一下，返回的内存大小不一定是size，因为内存的分配是基于页来分配的，有时需要地址对齐之类，所有分配的内存地址可能比size大。函数同样会引起睡眠，如果不能睡眠需要使用GFP_ATOMIC。
分配的内存必须释放，使用函数：
void kfree(const void *objp)
上个程序：
/*5th_mm_1/2nd/test.c*/
1 #include <linux/module.h>
2 #include <linux/init.h>
3
4 #include <linux/mm.h>
5
6 char *s;
7
8 static int __init test_init(void) //模块初始化函数
9 {
10 s = kmalloc(20, GFP_KERNEL);
11 memcpy(s, "hello mm", 20);
12
13 printk("hello kernel [%s]\n", s);
14 return 0;
15 }
16
17 static void __exit test_exit(void) //模块卸载函数
18 {
19 kfree(s);
20 printk("good bye kernel\n");
21 }
22
23 module_init(test_init);
24 module_exit(test_exit);
25
26 MODULE_LICENSE("GPL");
27 MODULE_AUTHOR("xoao bai");
28 MODULE_VERSION("v0.1");
再验证一下：
[root: 2nd]# insmod test.ko
hello kernel [hello mm] //又打印出来了
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六、其他的内存分配函数——vmalloc
有时候，内核不一定会有很大的一块连续物理内存，这时候kmalloc就不能处理这种情况了，它只能是分配连续的物理内存。需要用以下的函数vmalloc。
分配：
void * vmalloc(unsigned long size);
同样的，成功返回首地址，失败返回NULL，切记这个函数会引起睡眠。而且没有标志可选。
释放：
void vfree(void *addr);
当指定的size没有真够大的连续空间时，这个函数就会像捡破烂一样，东捡一块西捡一块，凑成满足大小的物理内存，并连在一起形成连续的虚拟内存再把首地址返回，所以这个函数的操作很麻烦，出于性能的考虑，能不用的话尽量不用。
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七、slab层
为了方便一些频繁被使用的数据，内核有了slab层的概念。大概意思就是，在告诉内存空间里面，内核定义多了slab（其实就是一页），这些页可以预先定义成用来存放什么数据。这样的话就方便了，当有这样的数据要存放，进程就可以申请放在slab层，这样的话就省去了内存分配和释放的操作。具体的介绍请看《linux内核设计与实现（第三版）》P245。
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八、总结
这节讲了内核是如何管理和分配内存了，还重点介绍了最常用的内存分配方法kmalloc。
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源代码： 5th_mm_1.rar