11.3.1 用户空间内存动态申请
#include <malloc.h>
在用户空间中动态申请内存的函数为malloc（），这个函数在各种操作系统上的使用都是一致的，malloc（）申请的内存的释放函数为free（）。对于Linux而言，C库的malloc（）函数一般通过brk（）和 mmap（）两个系统调用从内核申请内存。
备注：由于用户空间C库的malloc算法实际上具备一个二次管理能力，所以并不是每次申请和释放内存都一定伴随着对内核的系统调用。
Linux内核总是采用按需调页，当malloc（）返回的时候，虽然成功返回，但内核并没有真正给这个进程内存，这时如果去读申请的内存，内容全部是0，这个页面的映射是只读的。只有当写到某个页面的时候，内核才在页错误后，真正把这个页面给这个进程。
11.3.2 内核空间内存动态申请
在Linux内核空间中申请内存涉及的函数：kmalloc（）、kzalloc（）、vmalloc（）、__get_free_pages（）等。
kmalloc（）和__get_free_pages（）（及其类似函数）申请的内存位于DMA和常规区域的映射区，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，存在较简单的转换关系。
vmalloc（）在虚拟内存空间给出一块连续的内存区，这片连续的虚拟内存在物理内存中并不一定连续，因此，vmalloc（）申请的虚拟内存和物理内存之间没有简单的换算关系。
1.kmalloc（）
#include <linux/slab.h>
void *kmalloc(size_t size, int flags);
第一个参数是要分配的块的大小；
第二个参数为分配标志，用于控制kmalloc（）的行为。最常用的分配标志是GFP_KERNEL，其含义是在内核空间的进程中申请内存。
kmalloc（）的底层依赖于__get_free_pages（）来实现，分配标志的前缀GFP是这个底层函数的缩写。使用GFP_KERNEL标志申请内存时，若暂时不能满足，则进程会睡眠等待页，即会引起阻塞，不能在中断上下文或持有自旋锁时使用GFP_KERNE申请内存。
由于在中断处理函数、tasklet和内核定时器等非进程上下文中不能阻塞，此时驱动应当使用GFP_ATOMIC标志来申请内存。当使用GFP_ATOMIC标志申请内存时，若不存在空闲页，则不等待，直接返回。
其他的申请标志如下，
GFP_USER：为用户空间页分配内存，可能阻塞。
GFP_HIGHUSER：类似GFP_USER，但它从高端内存分配。
GFP_DMA：从DMA区域分配内存。
GFP_NOIO：不允许任何I/O初始化。
GFP_NOFS：不允许进行任何文件系统调用。
__GFP_HIGHMEM：指示分配的内存可以位于高端内存。
__GFP_COLD：请求一个较长时间不访问的页。
__GFP_NOWARN：当一个分配无法满足时，阻止内核发出警告。
__GFP_HIGH：高优先级请求，允许获得被内核保留给紧急状况使用的最后的内存页。
__GFP_REPEAT：分配失败，则尽力重复尝试。
__GFP_NOFAIL：标志只许申请成功，不推荐。
__GFP_NORETRY：若申请不到，则立即放弃。
使用kmalloc（）申请的内存应使用kfree（）释放。
2.__get_free_pages（）
__get_free_pages（）系列函数/宏，本质上是Linux内核最底层用于获取空闲内存的方法，因为底层的buddy算法以2n页为单位管理空闲内存，所以最底层的内存申请总是以2n页为单位的。
__get_free_pages（）系列函数/宏有：get_zeroed_page（）、__get_free_page（）和__get_free_pages（）。
get_zeroed_page(unsigned int flags); 该函数返回一个指向新页的指针并且将该页清零。
_ _get_free_page(unsigned int flags);该宏返回一个指向新页的指针但是该页不清零，它实际上为：
#define _ _get_free_page(gfp_mask) \
_ _get_free_pages((gfp_mask),0)
就是调用了下面的__get_free_pages（）申请1页。
_ _get_free_pages(unsigned int flags, unsigned int order);
该函数可分配多个页并返回分配内存的首地址，分配的页数为2的order次方，分配的页也不清零。order允许的最大值是10（即1024页）或者11（即2048页），这取决于具体的硬件平台。
__get_free_pages（）和get_zeroed_page（）在实现中调用了alloc_pages（）函数，alloc_pages（）既可以在内核空间分配，也可以在用户空间分配，其原型为：
struct page * alloc_pages(int gfp_mask, unsigned long order);这个函数返回分配的第一个页的描述符而非首地址。
使用__get_free_pages（）系列函数/宏申请的内存应使用下列函数释放：
void free_page(unsigned long addr);
void free_pages(unsigned long addr, unsigned long order);
__get_free_pages等函数在使用时，其申请标志的值与kmalloc（）完全一样，各标志的含义也与kmalloc（）完全一致，最常用的是GFP_KERNEL和GFP_ATOMIC。
3.vmalloc（）
vmalloc（）一般只为存在于软件中（没有对应的硬件意义）的较大的顺序缓冲区分配内存，vmalloc（）远大于__get_free_pages（）的开销，为了完成vmalloc（），新的页表项需要被建立。因此，只是调用vmalloc（）来分配少量的内存（如1页以内的内存）是不妥的。
vmalloc（）申请的内存应使用vfree（）释放，vmalloc（）和vfree（）的函数原型如下：
void *vmalloc(unsigned long size);
void vfree(void * addr);
备注：vmalloc（）不能用在原子上下文中，因为其内部实现使用了标志为GFP_KERNEL的kmalloc（）。
使用vmalloc（）函数的一个例子函数是create_module（）系统调用，create_module（）这个函数利用vmalloc（）函数来获取被创建模块需要的内存空间。
vmalloc（）在申请内存时，会进行内存的映射，改变页表项，不像kmalloc（）实际用的是开机过程中就映射好的DMA和常规区域的页表项。因此vmalloc（）的虚拟地址和物理地址不是一个简单的线性映射。
4.slab与内存池
一方面，完全使用页为单元申请和释放内存容易导致浪费（如果要申请少量字节，也需要用1页）；另一方面，在操作系统的运作过程中，经常会涉及大量对象的重复生成、使用和释放内存问题。如果能够用合适的方法使得对象在前后两次被使用时分配在同一块内存或同一类内存空间且保留了基本的数据结构，可以大大提高效率。slab算法就是针对上述特点设计的。实际上kmalloc（）就是使用slab机制实现的。
slab是建立在buddy算法之上的，它从buddy算法拿到2n页面后再次进行二次管理。slab申请的内存以及基于slab的kmalloc（）申请的内存，与物理内存之间是一个简单的线性偏移。
（1）创建slab缓存
struct kmem_cache *kmem_cache_create(const char *name, size_t size, size_t align,
unsigned long flags,
void (*ctor)(void*, struct kmem_cache *, unsigned long),
void (*dtor)(void*, struct kmem_cache *, unsigned long));
kmem_cache_create（）用于创建一个slab缓存，它是一个可以保留任意数目且全部同样大小的后备缓存。
size是要分配的每个数据结构的大小，flags是控制如何进行分配的位掩码，包括SLAB_HWCACHE_ALIGN（每个数据对象被对齐到一个缓存行）、SLAB_CACHE_DMA（要求数据对象在DMA区域中分配）等。
（2）分配slab缓存
void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags);
kmem_cache_alloc（）函数在kmem_cache_create（）创建的slab后备缓存中分配一块并返回首地址指针。
（3）释放slab缓存
void kmem_cache_free(struct kmem_cache *cachep, void *objp);
kmem_cache_free（）函数释放由kmem_cache_alloc（）分配的缓存。
（4）销毁slab缓存
int kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *cachep);
代码清单11.3 slab缓存使用范例
/* 创建 slab 缓存 */
static kmem_cache *xxx_cachep = NULL;
xxx_cachep = kmem_cache_create("xxx", sizeof(struct xxx),
0, SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, NULL, NULL);
/* 分配 slab 缓存 */
struct xxx *ctx;
ctx = kmem_cache_alloc(xxx_cachep, GFP_KERNEL);
.../* 使用 slab 缓存 */
/* 释放 slab 缓存 */
kmem_cache_free(xxx_cachep, ctx);
kmem_cache_destroy(xxx_cachep);
在Linux系统中通过/proc/slabinfo节点可以查看当前slab的分配和使用情况。
注意：slab不是要代替__get_free_pages（），其在最底层仍然依赖于__get_free_pages（），slab在底层每次申请1页或多页，之后再分隔这些页为更小的单元进行管理，从而节省了内存，也提高了slab缓冲对象的访问效率。
除slab以外，在Linux内核中还包含对内存池的支持，内存池技术是一种非常经典的用于分配大量小对象的后备缓存技术。
在Linux内核中，与内存池相关的操作包括如下几种。
（1）创建内存池
mempool_t *mempool_create(int min_nr, mempool_alloc_t *alloc_fn,mempool_free_t *free_fn, void *pool_data);
min_nr参数：需要预分配对象的数目。
alloc_fn和free_fn是指向内存池机制提供的标准对象分配和回收函数的指针，其原型分别为：
typedef void *(mempool_alloc_t)(int gfp_mask, void *pool_data); // 函数类型
和
typedef void (mempool_free_t)(void *element, void *pool_data);// 函数类型
pool_data是分配和回收函数用到的指针，gfp_mask是分配标志。只有当__GFP_WAIT标记被指定时，分配函数才会休眠。
（2）分配和回收对象
在内存池中分配和回收对象需由以下函数来完成：
void *mempool_alloc(mempool_t *pool, int gfp_mask);
void mempool_free(void *element, mempool_t *pool);
mempool_alloc（）用来分配对象，如果内存池分配器无法提供内存，那么就可以用预分配的池。
（3）销毁内存池
void mempool_destroy(mempool_t *pool);
由mempool_create（）函数创建的内存池需由mempool_destroy（）来销毁。