Linux內存分配相關函數詳解

Linux內存分配相關函數詳解 kmalloc()、kzalloc()、vmalloc().

---

• 動態申請內存
  • MMU
    • 操作系統中的內存管理
    • 虛擬內存機制
    • 頁式內存管理
  • 內核虛擬內存佈局
  • kmalloc()與kfree()
  • kzalloc()
  • vmalloc()、vfree()
  • 總結

動態申請內存.

在應用層中，用戶空間動態申請內存空間的函數有不少，如 malloc()、calloc()、realloc()等函數，衆所周知，動態分配的內存使用完後必須要釋放，否者將會造成內存泄漏，所以與其對應的用戶空間內存釋放函數 free()。

MMU.

MMU是Memory Management Unit的縮寫，中文名是內存管理單元，有時稱作分頁內存管理單元（英語：paged memory management unit，縮寫爲PMMU）。它是一種負責處理中央處理器（CPU）的內存訪問請求的計算機硬件。它的功能包括虛擬地址到物理地址的轉換（即虛擬內存管理）、內存保護、中央處理器高速緩存的控制，在較爲簡單的計算機體系結構中，負責總線的仲裁以及存儲體切換（bank switching，尤其是在8位的系統上）。
——————來自百度百科的介紹

簡單來說，MMU就是內存管理單元，負責虛擬地址和物理地址之間的轉換、內存保護。

場景介紹：

• ARM Cortex-M系列是沒有MMU，只能跑ucos、freertos、rt-thread等實時操作系統。
• ARM Cortex-A系列是往往具有MMU，可以跑Linux、WinCE。

操作系統中的內存管理.

• 應用程序開發的時候，面對的內存都是虛擬內存。
• 每個進程擁有獨立私有的虛擬地址空間
• 虛擬內存與實際物理內存是無關的，是一個假想的足夠大的內存（4GB = 128MB（物理內存）+硬盤空間）

虛擬內存機制.

• 虛擬內存需要重新映射到物理內存
• 虛擬地址映射到物理內存中的真實地址
• 每次進程的少量代碼在物理內存中執行
• 大部分的進程代碼存在存儲器中

頁式內存管理.

• 頁 是單位名稱，Linux大小爲4KB
• 虛擬內存和物理內存以頁爲單位進行管理
• 進程的活動頁被載入內存時候，記錄頁的映射地址
• 頁式管理將內存地址分爲兩個部分：
  • 地址高位，頁面號
  • 地址低位，業內偏移量

---

內核虛擬內存佈局.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

[ 0.000000] Memory: 1024MB = 1024MB total ---->內存的大小是1GB [ 0.000000] Memory: 810820k/810820k available, 237756k reserved, 272384K highmem [ 0.000000] Virtual kernel memory layout: [ 0.000000] vector : 0xffff0000 - 0xffff1000 ( 4 kB) ---->存放中斷向量表 [ 0.000000] fixmap : 0xfff00000 - 0xfffe0000 ( 896 kB) ---->固定映射區，留作特定用途 [ 0.000000] vmalloc : 0xef800000 - 0xfee00000 ( 246 MB) ---->vmalloc()分配內存的區 [ 0.000000] lowmem : 0xc0000000 - 0xef600000 ( 758 MB) ---->低端內存區，屬於GFP_KERNEL標誌 [ 0.000000] pkmap : 0xbfe00000 - 0xc0000000 ( 2 MB) ---->永久映射，高端內存頁框到內核地址空間的長期映射 [ 0.000000] modules : 0xbf000000 - 0xbfe00000 ( 14 MB) ---->#insmod *.ko module存放段 [ 0.000000] .text : 0xc0008000 - 0xc0a51018 (10533 kB) ---->代碼段和只讀的數據段 [ 0.000000] .init : 0xc0a52000 - 0xc0a8f100 ( 245 kB) ---->初始化段，使用__init修飾初始化函數 [ 0.000000] .data : 0xc0a90000 - 0xc0b297d8 ( 614 kB) ---->可讀寫的數據段 [ 0.000000] .bss : 0xc0b297fc - 0xc0d09488 (1920 kB) ---->未初始化的數據段 [ 0.000000] SLUB: Genslabs=11, HWalign=64, Order=0-3, MinObjects=0, CPUs=8, Nodes=1

由上可知，當使用 kmalloc、kzalloc函數 ，會在 lowmem : 0xc0000000 - 0xef600000 地址空間裏申請內存。
當使用 vmalloc函數 ，會在 vmalloc : 0xef800000 - 0xfee00000 地址空間裏申請內存。

---

kmalloc()與kfree().

1 2	#include <linux/slab.h> void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags)；

kmalloc() 申請的內存位於物理內存映射區域，而且在物理上也是連續的，它們與真實的物理地址只有一個固定的偏移，因爲存在較簡單的轉換關係，所以對申請的內存大小有限制，不能超過128KB。

參數	功能
size	申請的內存大小(字節)
flags	分配內存的方法
—-
falgs	具體方法
:–:	:–:
GFP_ATOMIC	分配內存的過程是一個原子過程，分配內存的過程不會被（高優先級進程或中斷）打斷
GFP_KERNEL	正常分配內存
GFP_DMA	給 DMA 控制器分配內存，需要使用該標誌（DMA要求分配虛擬地址和物理地址連續

對應的內存釋放函數爲：

1	void kfree(const void *objp);

---

kzalloc().

kzalloc() 函數與 kmalloc() 非常相似，參數及返回值是一樣的，可以說是前者是後者的一個變種，因爲 kzalloc() 實際上只是額外附加了 __GFP_ZERO 標誌。所以它除了申請內核內存外，還會對申請到的內存內容清零。

1 2 3 4 5 6 7 8 9

/** * kzalloc - allocate memory. The memory is set to zero. * @size: how many bytes of memory are required. * @flags: the type of memory to allocate (see kmalloc). */ static inline void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags) { return kmalloc(size, flags | __GFP_ZERO); }

kzalloc() 對應的內存釋放函數也是 kfree()。

---

vmalloc()、vfree().

1 2	#include <linux/vmalloc.h> void *vmalloc(unsigned long size);

vmalloc() 函數則會在虛擬內存空間給出一塊連續的內存區，但這片連續的虛擬內存在物理內存中並不一定連續。由於 vmalloc() 沒有保證申請到的是連續的物理內存，因此對申請的內存大小可以比較大，關於申請內存的大小要根據/proc/meminfo文件中的“VmallocChunk”剩餘多少空間可以申請，示例如下：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

#cat /proc/meminfo ... ... ... VmallocTotal: 34359738367 kB VmallocUsed: 0 kB VmallocChunk: 0 kB ... ... ...

上述輸出信息 VmallocChunk: 34359738367 kB ，最多申請34359738367 kB內存。

注意：
vmalloc() 和 vfree() 可以睡眠，因此不能從中斷上下文調用。

總結.

kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的共同特點是：

• 用於申請內核空間的內存；
• 內存以字節爲單位進行分配；
• 所分配的內存虛擬地址上連續；

kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的區別是：

• kzalloc 是強制清零的 kmalloc 操作；（以下描述不區分 kmalloc 和 kzalloc）
• kmalloc 分配的內存大小有限制（128KB），而 vmalloc 限制只與剩餘空間大小有關；
• kmalloc 可以保證分配的內存物理地址是連續的，但是 vmalloc 不能保證；
• kmalloc 分配內存的過程可以是原子過程（使用 GFP_ATOMIC），而 vmalloc 分配內存時則可能產生阻塞；
• kmalloc 分配內存的開銷小，因此 kmalloc 比 vmalloc 要快；

一般情況下，內存只有在要被 DMA 訪問 的時候才需要物理上連續，但爲了性能上的考慮，內核中一般使用 kmalloc()，而只有在需要獲得大塊內存時才使用 vmalloc()。
例如，當模塊被動態加載到內核當中時，就把模塊裝載到由 vmalloc() 分配的內存上。

---

我的GITHUB