第八章：分配内存

先上几个图,大家可以linux管理内存的基本方式，也比较容易理解：

 

 下面介绍内核分配内存的API以及使用方法注意事项。

 

 1.kmalloc

 

   原型如下：

 

    #include

    void *kmalloc(size_t size,int flags);

 

    该函数分配的物理内存是连续的，该函数不对分配的内存清零，size表示分配块的大小，flags控制kmalloc分配方式的行为。下面具体讲解这两个参数：

   

    size参数：

    分配范围：32/64byte < size < 128k，最小的32或者64取决于当前体系结构下的页面大小。

 

    flags:

    最常用的两个flag标志： GFP_KERNEL(可能休眠)，GFP_ATOMIC(原子分配，不会休眠)

    linux内核把内存分为三个区段：可用于DMA的内存，常规内存，高端内存，通常的分配都发生在常规内存区，但是通过设置下面的标志也可以请求其他区段的分配，使用方法为和上面的标记 | 起来。

     这些标记包括：

     __GFP_DMA:用于DMA的内存分配

     __GFP_HIGHMEM：用于高端内存的分配。但是这个标记表示内存会对三个区段进行依次搜索分配，并不一定会在高端内存区分配，有趣的是书中写道：kmalloc是不能分配高端内存的。

     ......

     例如我要分配一段不可休眠的用于DMA的内存，可以给flag赋值：GFP_ATOMIC | __GFP_DMA

    

  

 2. 后备高速缓存

 

    内核维护了一组拥有同一大小内存块的内存池，称为后备高速缓存。内核的高速缓存管理称为"slab分配器"，slab分配的高速缓存的类型为kmem_cache_t，可以通过下面的函数调用：

   

#inlcude<linux/slab.h>
kmem_cache_t *kmem_cache_create(const char *name,size_t size,
                                size_t offset,
                                unsigned long flags,
                                void (*constructor)(void *,kmem_cache_t *,
                                                    unsigned long flags),
                                void (*destructor)(void *,kmem_cache_t *,
                                                    unsigned long falgs));

   该函数创建一个高速缓存对象，这些区域大小相同，区域大小由size指定；name通常设定为将要高速缓存的结构类型的名字，指向一个常量字符串；offset表示页面中第一个对象的偏移量，默认为0；flags表示如何完成分配，是一个位掩码，取值有： 

         SLAB_NO_REAP：保护缓存在系统寻找时不会减少，一般不会设置

         SLAB_HWCACHE_ALIGN：要求所有数据对象和高速缓存行对齐

         SLAB_CACHE_DMA：要求每个数据对象从可用于DMA的内存区段中分配

  constructor和destructor是可选参数，前者用于初始化新分配的对象，后者用于清除对象。

下图表示了分配好的高速缓存：

 

    创建好一个高速缓存对象后，我们再调用下面的API从中获取内存对象：

   

void *kmem_cache_alloc(kmem_cache_t *cache,int flags);

参数cache是前面创建好的高速缓存，参数flags和kmalloc相同。

    释放一个内存对象：

void kmem_cache_free(kmem_cache_t *cache,const void *obj);

    释放高速缓存：

int kmem_cache_destroy(kmem_cache_t *cache);

     只有在所有对象都归还后，该操作才会成功，应该检查该函数返回状态，如果失败（返回负值）说明发生了内存泄露，有些对象未被释放。

   3. 内存池

      为了确保内存分配的成功，内核开发者建立了一种称为内存池的抽象。内存池其实就是某种形式的后备高速缓存，它试图始终保存空闲的内存，以便在紧急状态下使用。

      内核中内存池的对象类型为：mempool_t，用下面的函数来建立内存池对象：

#include<linux/mempoll.h>
mempool_t *mempoll_create(int min_nr,
                          mempool_alloc_t *alloc_fn,
                          mempool_free_t *free_fn,
                          void *pool_data);

min_nr 表示内存池应该始终保持的已分配对象的最少数目。对象的实际分配和释放由后面两个函数alloc_fn和free_fn处理，定义如下：(但是通常我们用内核提供的两个函数mempool_alloc_slab,mempool_free_slab来完成)

typedef void *(mempool_alloc_t)(int gfp_mask,void *pool_data);
typedef void (mempool_free_t)(void *element,void *pool_data);

而mempool_create的第四个参数pool_data即为传入分配和释放函数的第二个参数。

   构造内存池的通用写法：

   首先，创建内存池：

cache = kmem_cache_create(...);
pool = mempool_create(MY_POOL_MININUM,mempool_alloc_slab,mempool_free_slab,cache);

   然后用如下函数分配和释放对象：

void *mempool_alloc(mempool_t *pool, int gfp_mask);
void mempool_free(void *element,mempool_t *pool);

创建mempool时，会多次调用分配函数为预先分配的对象创建内存池，之后，对mempool_alloc的调用将首先通过分配函数获得该对象。如果该分配失败，就会返回预先分配的对象（如果存在的话）。

mempool_free释放一个对象，如果预先分配的对象数目小于要求的最低数目，该对象会保留在内存池中，否则，该对象返回给系统。

 还可以利用下面函数调整mempool的大小:

int mempool_resize(mempool_t *pool, int new_min_nr,int gfp_mask);

将内存池大小调整为至少有new_min_nr个预分配对象。

如果不在需要内存池，调用：

void mempool_destroy(mempool_t *pool);

在销毁之前，必须要将多有分配的对象返回到内存池中，否则会引起oops。

驱动程序一般避免使用mempool。

  4. get_free_pages和相关函数

     如果模块需要分配大块的内存，使用面向页的分配技术会好些。分配页面涉及到的函数如下：

get_zeroed_page(unsigned int flags);
   //返回指向新页面的指针并将页面清零。
__get_free_page(unsigned int flags);
   // 类似于上述函数，但不清零页面。
__get_free_pages(unsigned int flags,unsigned int order);
   //分配若干（物理连续的）页面，并返回指向该内存区域第一个字节的指针，但不清零页面。

   释放页面涉及到的函数如下：

void free_page(unsigned int addr);
void free_pages(unsigned long addr,unsigned long order);

   注意：分配和释放的页面数目必须相等，不然内存映射关系会破坏，系统会出错。

  5.vmalloc及其辅助函数

    vmalloc返回虚拟地址空间的连续区域，尽管在物理上不一定连续，vmalloc错误返回0(NULL地址)，成功时一个指向线性的，大小最少为size的线性内存区域。

    函数原型如下：

#include<linux/vmalloc.h>

void *vmalloc(unsigned long size);
void vfree(void *addr);
void *ioremap(unsigned long offset, unsigned long size);
void iounmap(void *addr);

   注意：kmalloc和__get_free_pages使用的地址范围和物理地址是一一对应的，可能会有一个PAGE_OFFSET的偏移，但是不需要为该地址段修改页表。但是vmalloc和ioremap使用的地址范围完全虚拟，每次分配要通过对页表的适当设置来建立内存区域。

        vmalloc不能在原子上下文中使用，因为该函数内部调用了kmallc（GFP_KERNEL），可能导致休眠。