Linux内核中内存分配api

转载：https://blog.csdn.net/lonnox/article/details/81489359

1.1.__get_free_pages

　　unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)

　　__get_free_pages函数是最原始的内存分配方式，直接从伙伴系统中获取原始页框，返回值为第一个页框的起始地址__get_free_pages在实现上只是封装了alloc_pages函 数，从代码分析，alloc_pages函数会分配长度为1<<order的 连续页框块order参数的最大值由include/Linux/Mmzone.h文 件中的MAX_ORDER宏决定，在默认的2.6.18内 核版本中，该宏定义为10也就是说在理论上__get_free_pages函 数一次最多能申请1<<10 * 4KB也就是4MB的 连续物理内存但是在实际应用中，很可能因为不存在这么大量的连续空闲页框而导致分配失败在测试中，order为10时分配成功，order为11则返回错误

1.2.kmem_cache_alloc

　　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))

　　void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *c, gfp_t flags)

　　kmem_cache_create/ kmem_cache_alloc是基于slab分配器的一种内存分配方式，适用于反复分配释放同一大小内存块的场合首先用kmem_cache_create创建一个高速缓存区域，然后用kmem_cache_alloc从 该高速缓存区域中获取新的内存块 kmem_cache_alloc一次能分配的最大内存由mm/slab.c文件中的MAX_OBJ_ORDER宏 定义，在默认的2.6.18内核版本中，该宏定义为5， 于是一次最多能申请1<<5 * 4KB也就是128KB的 连续物理内存分析内核源码发现，kmem_cache_create函数的size参数大于128KB时会调用BUG()测试结果验证了分析结果，用kmem_cache_create分 配超过128KB的内存时使内核崩溃

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1.3.kmalloc

　　void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags)

　　kmalloc是内核中最常用的一种内存分配方式，它通过调用kmem_cache_alloc函 数来实现kmalloc一次最多能申请的内存大小由include/Linux/Kmalloc_size.h的 内容来决定，在默认的2.6.18内核版本中，kmalloc一 次最多能申请大小为131702B也就是128KB字 节的连续物理内存测试结果表明，如果试图用kmalloc函数分配大于128KB的内存，编译不能通过

　　1.4.vmalloc

　　void *vmalloc(unsigned long size)

　　前面几种内存分配方式都是物理连续的，能保证较低的平均访问时间但是在某些场合中，对内存区的请求不是很频繁，较高的内存访问时间也 可以接受，这是就可以分配一段线性连续，物理不连续的地址，带来的好处是一次可以分配较大块的内存图3-1表 示的是vmalloc分配的内存使用的地址范围vmalloc对 一次能分配的内存大小没有明确限制出于性能考虑，应谨慎使用vmalloc函数在测试过程中， 最大能一次分配1GB的空间

　　Linux内核部分内存分布

1.5.dma_alloc_coherent

　　void *dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_t size,

　　ma_addr_t *dma_handle, gfp_t gfp)

　　DMA是一种硬件机制，允许外围设备和主存之间直接传输IO数据，而不需要CPU的参与，使用DMA机制能大幅提高与设备通信的 吞吐量DMA操作中，涉及到CPU高速缓 存和对应的内存数据一致性的问题，必须保证两者的数据一致，在x86_64体系结构中，硬件已经很 好的解决了这个问题， dma_alloc_coherent和__get_free_pages函数实现差别不大，前者实际是调用__alloc_pages函 数来分配内存，因此一次分配内存的大小限制和后者一样__get_free_pages分配的内 存同样可以用于DMA操作测试结果证明，dma_alloc_coherent函 数一次能分配的最大内存也为4M

　　1.6.ioremap

　　void * ioremap (unsigned long offset, unsigned long size)

　　ioremap是一种更直接的内存“分配”方式，使用时直接指定物理起始地址和需要分配内存的大小，然后将该段 物理地址映射到内核地址空间ioremap用到的物理地址空间都是事先确定的，和上面的几种内存 分配方式并不太一样，并不是分配一段新的物理内存ioremap多用于设备驱动，可以让CPU直接访问外部设备的IO空间ioremap能映射的内存由原有的物理内存空间决定，所以没有进行测试

　　1.7.Boot Memory

　　如果要分配大量的连续物理内存，上述的分配函数都不能满足，就只能用比较特殊的方式，在Linux内 核引导阶段来预留部分内存

　　1.7.1.在内核引导时分配内存

　　void* alloc_bootmem(unsigned long size)

　　可以在Linux内核引导过程中绕过伙伴系统来分配大块内存使用方法是在Linux内核引导时，调用mem_init函数之前 用alloc_bootmem函数申请指定大小的内存如果需要在其他地方调用这块内存，可以将alloc_bootmem返回的内存首地址通过EXPORT_SYMBOL导 出，然后就可以使用这块内存了这种内存分配方式的缺点是，申请内存的代码必须在链接到内核中的代码里才能使用，因此必须重新编译内核，而且内存管理系统 看不到这部分内存，需要用户自行管理测试结果表明，重新编译内核后重启，能够访问引导时分配的内存块

　　1.7.2.通过内核引导参数预留顶部内存

　　在Linux内核引导时，传入参数“mem＝size”保留顶部的内存区间比如系统有256MB内 存，参数“mem＝248M”会预留顶部的8MB内存，进入系统后可以调用ioremap(0xF800000，0x800000)来申请这段内存

1.8 phys_to_virt/virt_to_phys

static inline void *phys_to_virt(unsigned long x)

将物理地址转化为内核虚地址;

static inline unsigned long virt_to_phys(void *x)

可以实现物理地址转化为内核虚拟地址

实现方法在

arch/arm/include/asm/memory.h

转载http://blog.chinaunix.net/uid-8408553-id-4263399.html

　　2.几种分配函数的比较

 

3.kmalloc和vmalloc的区别

• vmalloc()与 kmalloc()都可用于分配内存

• kmalloc()分配的内存处于3GB~high_memory之 间,这段内核空间与物理内存的映射一一对应

•vmalloc()分配的内存在 VMALLOC_START~4GB之间,这段非连续内 存区映射到物理内存也可能是非连续的

• 在内核空间中调用kmalloc()分配连续物理空间,而调用vmalloc()分配非物理连续空间。

• 把kmalloc()所分配内核空间中的地址称为内核逻辑地址

• 把vmalloc()分配的内核空间中的地址称 为内核虚拟地址

• vmalloc()在分配过程中须更新内核页表

总结：

1.kmalloc和vmalloc分配的是内核的内存,malloc分配的是用户的内存

2.kmalloc保证分配的内存在物理上是连续的, kmalloc()分配的内存在0xBFFFFFFF－0xFFFFFFFF以上的内存中，driver一般是用它来完成对DS的分配，更适合于类似设备驱动的程序来使用；

3.vmalloc保证的是在虚拟地址空间上的连续，vmalloc()则是位于物理地址非连续，虚地址连续区，起始位置由VMALLOL_START来决定，一般作为交换区、模块的分配。

3.kmalloc能分配的大小有限,vmalloc和malloc能分配的大小相对较大（因为vmalloc还可以处理交换空间）。

4.内存只有在要被DMA访问的时候才需要物理上连续，vmalloc比kmalloc要慢

5.vmalloc使用的正确场合是分配一大块，连续的，只在软件中存在的，用于缓冲的内存区域。不能在微处理器之外使用。

6.vmalloc 中调用了 kmalloc （GFP—KERNEL），因此也不能应用于原子上下文。

7.kmalloc和 kfree管理内核段内分配的内存，这是真实地址已知的实际物理内存块。

8.vmalloc对应于vfree，分配连续的虚拟内存，但是物理上不一定连续。
9.kmalloc分配内存是基于slab，因此slab的一些特性包括着色，对齐等都具备，性能较好。物理地址和逻辑地址都是连续的