Linux內核中內存相關的操作函數

1、kmalloc()/kfree()


　　static __always_inline void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags)


　　內核空間申請指定大小的內存區域，返回內核空間虛擬地址。在函數實現中，如果申請的內存空間較大的話，會從buddy系統申請若干內存頁面，如果申請的內存空間大小較小的話，會從slab系統中申請內存空間。


　　gfp_t flags 的選項較多。參考內核文件gfp.h.


　　在函數kmalloc()實現中，如果申請的空間較小，會根據申請空間的大小從slab中獲取;如果申請的空間較大，如超過一個頁面，會直接從buddy系統中獲取。


　　2、vmalloc()/vfree()


　　void *vmalloc(unsigned long size)


　　函數作用：從高端(如果存在，優先從高端)申請內存頁面，並把申請的內存頁面映射到內核的動態映射空間。vmalloc()函數的功能和alloc_pages(_GFP_HIGHMEM)+kmap() 的功能相似，只所以說是相似而不是相同，原因在於用vmalloc()申請的物理內存頁面映射到內核的動態映射區(見下圖)，並且，用vmalloc()申請的頁面的物理地址可能是不連續的。而alloc_pages(_GFP_HIGHMEM)+kmap()申請的頁面的物理地址是連續的，被映射到內核的KMAP區。


　　vmalloc分配的地址則限於vmalloc_start與vmalloc_end之間。每一塊vmalloc分配的內核虛擬內存都對應一個vm_struct結構體(可別和vm_area_struct搞混，那可是進程虛擬內存區域的結構)，不同的內核虛擬地址被4k大小的空閒區間隔，以防止越界--見下圖)。與進程虛擬地址的特性一樣，這些虛擬地址與物理內存沒有簡單的位移關係，必須通過內核頁表纔可轉換爲物理地址或物理頁。它們有可能尚未被映射，在發生缺頁時才真正分配物理頁面。


　　如果內存緊張，連續區域無法滿足，調用vmalloc分配是必須的，因爲它可以將物理不連續的空間組合後分配，所以更能滿足分配要求。vmalloc可以映射高端頁框，也可以映射底端頁框。vmalloc的作用只是爲了提供邏輯上連續的地址…


　　注意：在申請頁面時，如果註明_GFP_HIGHMEM,即從高端申請。則實際是優先從高端內存申請，順序爲(分配順序是HIGH, NORMAL, DMA )。


　　3、alloc_pages()/free_pages()


　　內核空間申請指定個數的內存頁，內存頁數必須是2^order個頁。


　　alloc_pages(gfp_mask, order) 中，gfp_mask 是flag標誌，其中可以爲_ _GFP_DMA、_GFP_HIGHMEM 分別對應DMA和高端內存。


　　注：該函數基於buddy系統申請內存，申請的內存空間大小爲2^order個內存頁面。


　　參見《linux內核之內存管理。doc》


　　通過函數alloc_pages()申請的內存，需要使用kmap()函數分配內核的虛擬地址。


　　4、__get_free_pages()/__free_pages()


　　unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)


　　作用相當於alloc_pages(NORMAL)+kmap()，但不能申請高端內存頁面。


　　__get_free_page()只申請一個頁面。


　　5、kmap()/kunmap()


　　返回指定頁面對應內核空間的虛擬地址。


　　#include 


　　void *kmap(struct page *page);


　　void kunmap(struct page *page);


　　kmap 爲系統中的任何頁返回一個內核虛擬地址。


　　對於低端內存頁，它只返回頁的邏輯地址;


　　對於高端內存頁， kmap在"內核永久映射空間"中創建一個特殊的映射。 這樣的映射數目是有限， 因此最好不要持有過長的時間。


　　使用 kmap 創建的映射應當使用 kunmap 來釋放;


　　kmap 調用維護一個計數器， 因此若2個或多個函數都在同一個頁上調用kmap也是允許的。


　　通常情況下，"內核永久映射空間"是 4M 大小，因此僅僅需要一個頁表即可，內核通過來 pkmap_page_table 尋找這個頁表。


　　注意：不用時及時釋放。


　　kmalloc()和vmalloc()相比，kmalloc()總是從ZONE_NORMAL(下圖中的直接映射區)申請內存。kmalloc()分配的內存空間通常用於linux內核的系統數據結構和鏈表。因內核需要經常訪問其數據結構和鏈表，使用固定映射的ZONE_NORMAL空間的內存有利於提高效率。


　　使用vmalloc()可以申請非連續的物理內存頁，並組成虛擬連續內存空間。vmalloc()優先從高端內存(下圖中的動態映射區)申請。內核在分配那些不經常使用的內存時，都用高端內存空間(如果有)，所謂不經常使用是相對來說的，比如內核的一些數據結構就屬於經常使用的，而用戶的一些數據就屬於不經常使用的。


　　alloc_pages(_GFP_HIGHMEM)+kmap() 方式申請的內存使用內核永久映射空間(下圖中的KMAP區)，空間較小(通常4M線性空間)，不用時需要及時釋放。另外，可以指定alloc_pages()從直接映射區申請內存，需要使用_GFP_NORMAL屬性指定。


　　__get_free_pages()/__free_pages() 不能申請高端內存頁面，操作區域和kmalloc()相同(下圖中的動態映射區)。






　　6、virt_to_page()


　　其作用是由內核空間的虛擬地址得到頁結構。見下面的宏定義。


　　#define virt_to_pfn(kaddr) (__pa(kaddr) 》 PAGE_SHIFT)


　　#define pfn_to_virt(pfn) __va((pfn) 《 PAGE_SHIFT)


　　#define virt_to_page(addr) pfn_to_page(virt_to_pfn(addr))


　　#define page_to_virt(page) pfn_to_virt(page_to_pfn(page))


　　#define __pfn_to_page(pfn) (mem_map + ((pfn) - ARCH_PFN_OFFSET))


　　#define __page_to_pfn(page) ((unsigned long)((page) - mem_map) + \


　　ARCH_PFN_OFFSET)


　　7、物理地址和虛擬地址之間轉換


　　#ifdef CONFIG_BOOKE


　　#define __va(x) ((void *)(unsigned long)((phys_addr_t)(x) + VIRT_PHYS_OFFSET))


　　#define __pa(x) ((unsigned long)(x) - VIRT_PHYS_OFFSET)


　　#else


　　#define __va(x) ((void *)(unsigned long)((phys_addr_t)(x) + PAGE_OFFSET - MEMORY_START))


　　#define __pa(x) ((unsigned long)(x) - PAGE_OFFSET + MEMORY_START)


　　#endif


　　8、ioremap()/iounmap()


　　ioremap()的作用是把device寄存器和內存的物理地址區域映射到內核虛擬區域，返回值爲內核的虛擬地址。


　　註明：在內核中操作內存空間時使用的都是內核虛擬地址，必須把device的空間映射到內核虛擬空間。


　　#include 


　　void *ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size);


　　void *ioremap_nocache(unsigned long phys_addr, unsigned long size); 映射非cache的io內存區域


　　void iounmap(void * addr);


　　爲了增加可移植性，最好使用下面的接口函數讀寫io內存區域，


　　unsigned int ioread8(void *addr);


　　unsigned int ioread16(void *addr);


　　unsigned int ioread32(void *addr);


　　void iowrite8(u8 value, void *addr);


　　void iowrite16(u16 value, void *addr);


　　void iowrite32(u32 value, void *addr);


　　如果你必須讀和寫一系列值到一個給定的 I/O 內存地址， 你可以使用這些函數的重複版本：


　　void ioread8_rep(void *addr, void *buf, unsigned long count);


　　void ioread16_rep(void *addr, void *buf, unsigned long count);


　　void ioread32_rep(void *addr, void *buf, unsigned long count);


　　void iowrite8_rep(void *addr, const void *buf, unsigned long count);


　　void iowrite16_rep(void *addr, const void *buf, unsigned long count);


　　void iowrite32_rep(void *addr, const void *buf, unsigned long count);


　　這些函數讀或寫 count 值從給定的 buf 到 給定的 addr. 注意 count 表達爲在被寫入的數據大小; ioread32_rep 讀取 count 32-位值從 buf 開始。


　　9、request_mem_region()


　　本函數的作用是：外設的io端口映射到io memory region中。在本函數實現中會檢查輸入到本函數的參數所描述的空間(下面成爲本io空間)是否和io memory region中已存在的空間衝突等，並設置本io空間的parent字段等(把本io空間插入到io 空間樹種)。


　　註明：io memory region 空間中是以樹形結構組織的，默認的根爲iomem_resource描述的io空間，其name爲"PCI mem".


　　request_mem_region(start,n,name) 輸入的參數依次是設備的物理地址，字節長度，設備名字。函數返回類型如下


　　struct resource {


　　resource_size_t start;


　　resource_size_t end;


　　const char *name;


　　unsigned long flags;


　　struct resource *parent, *sibling, *child;


　　};


　　10、SetPageReserved()


　　隨着linux的長時間運行，空閒頁面會越來越少，爲了防止linux內核進入請求頁面的僵局中，Linux內核採用頁面回收算法(PFRA)從用戶進程和內核高速緩存中回收內存頁框，並根據需要把要回收頁框的內容交換到磁盤上的交換區。調用該函數可以使頁面不被交換。


　　#define SetPageReserved(page) set_bit(PG_reserved, &(page)->flags)


　　PG_reserved 的標誌說明如下。


　　* PG_reserved is set for special pages, which can never be swapped out. Some


　　* of them might not even exist (eg empty_bad_page)…


　　11、do_mmap()/do_ummap()


　　內核使用do_mmap()函數爲進程創建一個新的線性地址區間。但是說該函數創建了一個新VMA並不非常準確，因爲如果創建的地址區間和一個已經存在的地址區間相鄰，並且它們具有相同的訪問權限的話，那麼兩個區間將合併爲一個。如果不能合併，那麼就確實需要創建一個新的VMA了。但無論哪種情況， do_mmap()函數都會將一個地址區間加入到進程的地址空間中--無論是擴展已存在的內存區域還是創建一個新的區域。


　　同樣，釋放一個內存區域應使用函數do_ummap()，它會銷燬對應的內存區域。


　　12、get_user_pages()


　　作用是在內核空間獲取用戶空間內存的page 描述，之後可以通過函數kmap() 獲取page 對應到內核的虛擬地址。


　　int get_user_pages(struct task_struct *tsk, struct mm_struct *mm,


　　unsigned long start, int len, int write, int force,


　　struct page **pages, struct vm_area_struct **vmas)


　　參數說明


　　參數tsk:指示用戶空間對應進程的task_struct數據結構。只是爲了記錄錯誤信息用，該參數可以爲空。


　　參數mm:從該mm struct中獲取start 指示的若干頁面。


　　參數start:參數mm空間的起始地址，即用戶空間的虛擬地址。


　　參數len:需要映射的頁數。


　　參數write:可以寫標誌。


　　參數force:強制可以寫標誌。


　　參數pages:輸出的頁數據結構。


　　參數vmas:對應的需要存儲區，(沒有看明白對應的代碼)


　　返回值：數返回實際獲取的頁數，貌似對每個實際獲取的頁都是給頁計數值增1,如果實際獲取的頁不等於請求的頁，要放棄操作則必須對已獲取的頁計數值減1.


　　13、copy_from_user()和copy_to_user()


　　主要應用於設備驅動中讀寫函數中，通過系統調用觸發，在當前進程上下文內核態運行(即當前進程通過系統調用觸發)。


　　copy_from_user的目的是防止用戶程序欺騙內核，將一個非法的地址傳進去，如果沒有它，這一非法地址就檢測不到，內和就會訪問這個地址指向的數據。因爲在內核中訪問任何地址都沒有保護，如果不幸訪問一個錯誤的內存地址會搞死內核或發生更嚴重的問題


　　copy_from_user調用了access_ok,所以纔有"自己判斷功能"


　　access_ok()，可以檢查訪問的空間是否合法。


　　注意：中斷代碼時不能用copy_from_user,因爲其調用了might_sleep()函數，會導致睡眠。


　　unsigned long copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n)


　　通常用在設備讀函數或ioctl 中獲取參數的函數中：其中"to"是用戶空間的buffer地址，在本函數中將內核buffer"from"除的n個字節拷貝到用戶空間的"to"buffer.


　　unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n)


　　通常用在設備寫函數或ioctl中設置參數的函數中："to"是內核空間的buffer指針，要寫入的buffer;"from"是用戶空間的指針，數據源buffer.


　　14、get_user(x, ptr)


　　本函數的作用是獲取用戶空間指定地址的數值並保存到內核變量x中，ptr爲用戶空間的地址。用法舉例如下。


　　get_user(val, (int __user *)arg)


　　註明：函數用戶進程上下文內核態，即通常在系統調用函數中使用該函數。


　　15、put_user(x, ptr)


　　本函數的作用是將內核空間的變量x的數值保存到用戶空間指定地址處，prt爲用戶空間地址。用法舉例如下。


　　put_user(val, (int __user *)arg)


　　註明：函數用戶進程上下文內核態，即通常在系統調用函數中使用該函數。




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