图1:linux内存分布图
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申请的是较小的连续的物理内存,内存物理地址上连续,虚拟地址上也是连续的,使用的是内存分配器slab的一小片。申请的内存位于物理内存的映射区域。其真正的物理地址只相差一个固定的偏移。可以用两个宏来简单转换__pa(address) { virt_to_phys()} 和__va(address) {phys_to_virt()}
get_free_page()申请的内存是一整页,一页的大小一般是128K。
从本质上讲,kmalloc和get_free_page最终调用实现是相同的,只不过在调用最终函数时所传的flag不同而已。
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。
1. kmalloc的用法
kmalloc与malloc 相似,该函数返回速度快快(除非它阻塞)并对其分配的内存不进行 初始化(清零),分配的区仍然持有它原来的内容, 分配的区也是在物理内存中连 续
记住 kmalloc 原型是:
#include <linux/slab。h>
void *kmalloc(size_t size, int flags);
给 kmalloc 的第一个参数是要分配的块的大小。 第 2 个参数, 分配标志, 用于控制 kmalloc的行为。
1.1. flags 参数
GFP_ATOMIC
用来从中断处理和进程上下文之外的其他代码中分配内存。 从不睡眠。
GFP_KERNEL
内核内存的正常分配。 可能睡眠。
GFP_USER
用来为用户空间页来分配内存; 它可能睡眠。
GFP_HIGHUSER
如同 GFP_USER, 但是从高端内存分配, 如果有。 高端内存在下一个子节描述。
GFP_NOIO
GFP_NOFS
这个标志功能如同 GFP_KERNEL, 但是它们增加限制到内核能做的来满足请求。 一个 GFP_NOFS 分配不允许进行任何文件系统调用, 而 GFP_NOIO 根本不允许任何 I/O 初始化。 它们主要地用在文件系统和虚拟内存代码, 那里允许一个分配睡眠, 但是递归的文件系统调用会是一个坏注意。
上面列出的这些分配标志可以是下列标志的相或来作为参数, 这些标志改变这些分配如何进行:
__GFP_DMA
这个标志要求分配在能够 DMA 的内存区。 确切的含义是平台依赖的并且在下面章节来解释。
__GFP_HIGHMEM
这个标志指示分配的内存可以位于高端内存。
__GFP_COLD
正常地, 内存分配器尽力返回"缓冲热"的页 -- 可能在处理器缓冲中找到的页。 相反, 这个标志请求一个"冷"页, 它在一段时间没被使用。 它对分配页作 DMA 读是有用的, 此时在处理器缓冲中出现是无用的。 一个完整的对如何分配 DMA 缓存的讨论看"直接内存存取"一节在第 1 章。
__GFP_NOWARN
这个很少用到的标志阻止内核来发出警告(使用 printk ), 当一个分配无法满足。
__GFP_HIGH
这个标志标识了一个高优先级请求, 它被允许来消耗甚至被内核保留给紧急状况的最后的内存页。
__GFP_REPEAT
__GFP_NOFAIL
__GFP_NORETRY
这些标志修改分配器如何动作, 当它有困难满足一个分配。 __GFP_REPEAT 意思是" 更尽力些尝试" 通过重复尝试 -- 但是分配可能仍然失败。 __GFP_NOFAIL 标志告诉分配器不要失败; 它尽最大努力来满足要求。 使用 __GFP_NOFAIL 是强烈不推荐的; 可能从不会有有效的理由在一个设备驱动中使用它。 最后, __GFP_NORETRY 告知分配器立即放弃如果得不到请求的内存。
1.2. size 参数
内核管理系统的物理内存, 这些物理内存只是以页大小的块来使用。 结果是, kmalloc 看来非常不同于一个典型的用户空间 malloc 实现。 一个简单的, 面向堆的分 配技术可能很快有麻烦; 它可能在解决页边界时有困难。 因而, 内核使用一个特殊的面向 页的分配技术来最好地利用系统RAM。
Linux 处理内存分配通过创建一套固定大小的内存对象池。 分配请求被这样来处理,进 入一个持有足够大的对象的池子并且将整个内存块递交给请求者。 内存管理方案是非常复 杂, 并且细节通常不是全部设备驱动编写者都感兴趣的。
然而, 驱动开发者应当记住的一件事情是, 内核只能分配某些预定义的, 固定大小的字 节数组。 如果你请求一个任意数量内存,你可能得到稍微多于你请求的, 至多是 2 倍数量。 同样, 程序员应当记住 kmalloc 能够处理的最小分配是 32 或者 64 字节,依赖系统的体 系所使用的页大小。
kmalloc 能够分配的内存块的大小有一个上限。 这个限制随着体系和内核配置选项而 变化。 如果你的代码是要完全可移植,它不能指望可以分配任何大于 128 KB。
用kzalloc申请内存的时候, 效果等同于先是用 kmalloc() 申请空间 , 然后用 memset() 来初始化 ,所有申请的元素都被初始化为 0.
if (unlikely((gfpflags & __GFP_ZERO) && object))
memset(object, 0, objsize);
vmalloc用于申请较大的内存空间,虚拟内存是连续。申请的内存的则位于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。
以字节为单位进行分配,在<linux/vmalloc.h>
void *vmalloc(unsigned long size) 分配的内存虚拟地址上连续,物理地址不连续。
一般情况下,只有硬件设备才需要物理地址连续的内存,因为硬件设备往往存在于MMU之外,根本不了解虚拟地址;但为了性能上的考虑,内核中一般使用kmalloc(),而只有在需要获得大块内存时才使用vmalloc,例如当模块被动态加载到内核当中时,就把模块装载到由vmalloc()分配的内存上。