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這篇文章主要介紹“l(fā)inux 內(nèi)存管理相關(guān)的函數(shù)有哪些”的相關(guān)知識，丸趣 TV 小編通過實際案例向大家展示操作過程，操作方法簡單快捷，實用性強，希望這篇“l(fā)inux 內(nèi)存管理相關(guān)的函數(shù)有哪些”文章能幫助大家解決問題。

linux 內(nèi)存管理相關(guān)的函數(shù)：1、kmalloc()，用于內(nèi)核態(tài)的內(nèi)存分配；2、vmalloc()，一般用在為只存在于軟件中（沒有對應(yīng)的硬件意義）的較大的順序緩沖區(qū)分配內(nèi)存；3、alloc_page() 和 alloc_pages() 函數(shù)，可以在內(nèi)核空間分配；4、__get_free_pages() 系列函數(shù)，返回一個或多個頁面的虛擬地址；5、kmem_cache_alloc() 等。

1、kmalloc()

kmalloc() 函數(shù)類似與我們常見的 malloc() 函數(shù)，前者用于內(nèi)核態(tài)的內(nèi)存分配，后者用于用戶態(tài)。
kmalloc() 函數(shù)在物理內(nèi)存中分配一塊連續(xù)的存儲空間，且和 malloc() 函數(shù)一樣，不會清除里面的原始數(shù)據(jù)，如果內(nèi)存充足，它的分配速度很快。其原型如下：

static inline void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags); /* 返回的是虛擬地址 */

size: 待分配的內(nèi)存大小。由于 Linux 內(nèi)存管理機制的原因，內(nèi)存只能按照頁面大小（一般 32 位機為 4KB，64 位機為 8KB）進行分配，這樣就導(dǎo)致了當(dāng)我們僅需要幾個字節(jié)內(nèi)存時，系統(tǒng)仍會返回一個頁面的內(nèi)存，顯然這是極度浪費的。所以，不同于 malloc 的是，kmalloc 的處理方式是：內(nèi)核先為其分配一系列不同大小（32B、64B、128B、…、128KB）的內(nèi)存池，當(dāng)需要分配內(nèi)存時，系統(tǒng)會分配大于等于所需內(nèi)存的最小一個內(nèi)存池給它。即 kmalloc 分配的內(nèi)存，最小為 32 字節(jié)，最大為 128KB。如果超過 128KB，需要采樣其它內(nèi)存分配函數(shù)，例如 vmalloc()。

flag：該參數(shù)用于控制函數(shù)的行為，最常用的是 GFP_KERNEL，表示當(dāng)當(dāng)前沒有足夠內(nèi)存分配時，進程進入睡眠，待系統(tǒng)將緩沖區(qū)中的內(nèi)容 SWAP 到硬盤中后，獲得足夠內(nèi)存后再喚醒進程，為其分配。更多標(biāo)志見下圖：

使用 GFP_ KERNEL 標(biāo)志申請內(nèi)存時，若暫時不能滿足，則進程會睡眠等待頁，即會引起阻塞，因此不能在中斷上下文或持有自旋鎖的時候使用 GFP_KERNE 申請內(nèi)存。所以，在中斷處理函數(shù)、tasklet 和內(nèi)核定時器等非進程上下文中不能阻塞，此時驅(qū)動應(yīng)當(dāng)使用 GFP_ATOMIC 標(biāo)志來申請內(nèi)存。當(dāng)使用 GFP_ATOMIC 標(biāo)志申請內(nèi)存時，若不存在空閑頁，則不等待，直接返回。

除了上述表格所列標(biāo)志外，還包括如下：

_ _GFP_DMA（要求分配在能夠 DMA 的內(nèi)存區(qū)）

_ _GFP_HIGHMEM（指示分配的內(nèi)存可以位于高端內(nèi)存）

_ _GFP_COLD（請求一個較長時間不訪問的頁）

_ _GFP_NOWARN（當(dāng)一個分配無法滿足時，阻止內(nèi)核發(fā)出警告）

_ _GFP_HIGH（高優(yōu)先級請求，允許獲得被內(nèi)核保留給緊急狀況使用的最后的內(nèi)存頁）

_ _GFP_REPEAT（分配失敗則盡力重復(fù)嘗試）

_ _GFP_NOFAIL（標(biāo)志只許申請成功，不推薦）

_ _GFP_NORETRY（若申請不到，則立即放棄）

使用 kmalloc() 申請的內(nèi)存應(yīng)使用 kfree() 釋放，這個函數(shù)的用法和用戶空間的 free() 類似。

2、vmalloc()

vmalloc() 一般用在為只存在于軟件中（沒有對應(yīng)的硬件意義）的較大的順序緩沖區(qū)分配內(nèi)存，當(dāng)內(nèi)存沒有足夠大的連續(xù)物理空間可以分配時，可以用該函數(shù)來分配虛擬地址連續(xù)但物理地址不連續(xù)的內(nèi)存。由于需要建立新的頁表，所以它的開銷要遠遠大于 kmalloc 及后面將要講到的__get_free_pages() 函數(shù)。且 vmalloc() 不能用在原子上下文中，因為它的內(nèi)部實現(xiàn)使用了標(biāo)志為 GFP_KERNEL 的 kmalloc()。其函數(shù)原型如下：

void *vmalloc(unsigned long size);
void vfree(const void *addr);

使用 vmalloc 函數(shù)的一個例子函數(shù)是 create_module() 系統(tǒng)調(diào)用，它利用 vmalloc() 函數(shù)來獲取被創(chuàng)建模塊需要的內(nèi)存空間。

內(nèi)存分配是一項要求嚴格的任務(wù)，無論什么時候，都應(yīng)該對返回值進行檢測。

在驅(qū)動編程中可以使用 copy_from_user() 對內(nèi)存進行使用。下面舉一個使用 vmalloc 函數(shù)的示例：

static int xxx(...)
 cpuid_entries = vmalloc(sizeof(struct kvm_cpuid_entry) * cpuid- nent);
 if(!cpuid_entries)
 goto out;
 if(copy_from_user(cpuid_entries, entries, cpuid- nent * sizeof(struct kvm_cpuid_entry)))
 goto out_free;
 for(i=0; i cpuid- nent; i++){vcpuid- arch.cpuid_entries[i].eax = cpuid_entries[i].eax;
 vcpuid- arch.cpuid_entries[i].index = 0;
out_free:
 vfree(cpuid_entries);
 return r;
}

3、頁分配函數(shù)

在 linux 中，內(nèi)存分配是以頁為單位的，32 位機中一頁為 4KB，64 位機中，一頁為 8KB，但具體還有根據(jù)平臺而定。
根據(jù)返回值類型的不同，頁分配函數(shù)分為兩類，一是返回物理頁地址，二是返回虛擬地址。虛擬地址和物理地址起始相差一個固定的偏移量。

#define __pa(x) ((x) - PAGE_OFFSET)
static inline unsigned long virt_to_phys(volatile void *address)
 return __pa((void *)address);
#define __va(x) ((x) + PAGE_OFFSET)
static inline void* phys_to_virt(unsigned long address)
 return __va(address);
}

根據(jù)返回頁面數(shù)目分類，分為僅返回單頁面的函數(shù)和返回多頁面的函數(shù)。

3.1 alloc_page() 和 alloc_pages() 函數(shù)

該函數(shù)定義在頭文件 /include/linux/gfp.h 中，它既可以在內(nèi)核空間分配，也可以在用戶空間分配，它返回分配的第一個頁的描述符而非首地址，其原型為：

#define alloc_page(gfp_mask) alloc_pages(gfp_mask, 0)
#define alloc_pages(gfp_mask, order) alloc_pages_node(numa_node_id(), gfp_mask, order) // 分配連續(xù) 2^order 個頁面
static inline struct page *alloc_pages_node(int nid, gfp_t gfp_mask, unsigned int order) 
 if(unlikely(order  = MAX_ORDER))
 return NULL;
 if(nid   0)
 nid = numa_node_id();
 return __alloc_pages(gfp_mask, order, noed_zonelist(nid, gfp_mask));
}

3.2 __get_free_pages() 系列函數(shù)

它是 kmalloc 函數(shù)實現(xiàn)的基礎(chǔ)，返回一個或多個頁面的虛擬地址。該系列函數(shù) / 宏包括 get_zeroed_page()、_ _get_free_page() 和_ _get_free_pages()。在使用時，其申請標(biāo)志的值及含義與 kmalloc() 完全一樣，最常用的是 GFP_KERNEL 和 GFP_ATOMIC。

/* 分配多個頁并返回分配內(nèi)存的首地址，分配的頁數(shù)為 2^order，分配的頁不清零。order  允許的最大值是  10（即  1024  頁）或者  11（即  2048  頁），依賴于具體
的硬件平臺。*/
unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)
 struct page *page;
 page = alloc_pages(gfp_mask, order);
 if(!page)
 return 0;
 return (unsigned long)page_address(page);
#define __get_free_page(gfp_mask) __get_free_pages(gfp_mask, 0)
/* 該函數(shù)返回一個指向新頁的指針并且將該頁清零 */
unsigned long get_zeroed_page(unsigned int flags);

使用_ _get_free_pages() 系列函數(shù) / 宏申請的內(nèi)存應(yīng)使用 free_page(addr) 或 free_pages(addr, order) 函數(shù)釋放：

#define __free_page(page) __free_pages((page), 0)
#define free_page(addr) free_pages((addr), 0)
void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order)
 if(addr != 0){VM_BUG_ON(!virt_addr_valid((void*)addr));
 __free_pages(virt_to_page((void *)addr), order);
void __free_pages(struct page *page, unsigned int order)
 if(put_page_testzero(page)){if(order == 0)
 free_hot_page(page);
 else
 __free_pages_ok(page, order);
}

free_pages() 函數(shù)是調(diào)用__free_pages() 函數(shù)完成內(nèi)存釋放的。

4、slab 緩存

當(dāng)在驅(qū)動程序中，遇到反復(fù)分配、釋放同一大小的內(nèi)存塊時（例如，inode、task_struct 等），建議使用內(nèi)存池技術(shù)（對象在前后兩次被使用時均分配在同一塊內(nèi)存或同一類內(nèi)存空間，且保留了基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這大大提高了效率）。在 linux 中，有一個叫做 slab 分配器的內(nèi)存池管理技術(shù)，內(nèi)存池使用的內(nèi)存區(qū)叫做后備高速緩存。

salb 相關(guān)頭文件在 linux/slab.h 中，在使用后備高速緩存前，需要創(chuàng)建一個 kmem_cache 的結(jié)構(gòu)體。

4.1 創(chuàng)建 slab 緩存區(qū)

該函數(shù)創(chuàng)建一個 slab 緩存（后備高速緩沖區(qū)），它是一個可以駐留任意數(shù)目全部同樣大小的后備緩存。其原型如下：

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 ong)));

其中：
name：創(chuàng)建的緩存名；
size：可容納的緩存塊個數(shù)；
align：后備高速緩沖區(qū)中第一個內(nèi)存塊的偏移量（一般置為 0）；
flags：控制如何進行分配的位掩碼，包括 SLAB_NO_REAP（即使內(nèi)存緊缺也不自動收縮這塊緩存）、SLAB_HWCACHE_ALIGN（每 個 數(shù) 據(jù) 對 象 被 對 齊 到 一 個 緩 存 行）、SLAB_CACHE_DMA（要求數(shù)據(jù)對象在 DMA 內(nèi)存區(qū)分配）等）；
ctor：是可選的內(nèi)存塊對象構(gòu)造函數(shù)（初始化函數(shù)）；
dtor：是可選的內(nèi)存對象塊析構(gòu)函數(shù)（釋放函數(shù)）。

4.2 分配 slab 緩存函數(shù)

一旦創(chuàng)建完后備高速緩沖區(qū)后，就可以調(diào)用 kmem_cache_alloc() 在緩存區(qū)分配一個內(nèi)存塊對象了，其原型如下：

void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags);

cachep 指向開始分配的后備高速緩存，flags 與傳給 kmalloc 函數(shù)的參數(shù)相同，一般為 GFP_KERNEL。

4.3 釋放 slab 緩存

該函數(shù)釋放一個內(nèi)存塊對象：

void *kmem_cache_free(struct kmem_cache *cachep, void *objp);

4.4 銷毀 slab 緩存

與 kmem_cache_create 對應(yīng)的是銷毀函數(shù)，釋放一個后備高速緩存：

int kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *cachep);

它必須等待所有已經(jīng)分配的內(nèi)存塊對象被釋放后才能釋放后備高速緩存區(qū)。

4.5 slab 緩存使用舉例

創(chuàng)建一個存放線程結(jié)構(gòu)體（struct thread_info）的后備高速緩存，因為在 linux 中涉及頻繁的線程創(chuàng)建與釋放，如果使用__get_free_page() 函數(shù)會造成內(nèi)存的大量浪費，效率也不高。所以在 linux 內(nèi)核的初始化階段就創(chuàng)建了一個名為 thread_info 的后備高速緩存，代碼如下：

/*  創(chuàng)建 slab 緩存  */
static struct kmem_cache *thread_info_cache;
thread_info_cache = kmem_cache_create(thread_info , sizeof(struct thread_info), \
 SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, NULL, NULL);
/*  分配 slab 緩存  */
struct thread_info *ti;
ti = kmem_cache_alloc(thread_info_cache, GFP_KERNEL);
/*  使用 slab 緩存  */
/*  釋放 slab 緩存  */
kmem_cache_free(thread_info_cache, ti);
kmem_cache_destroy(thread_info_cache);

5、內(nèi)存池

在 Linux 內(nèi)核中還包含對內(nèi)存池的支持，內(nèi)存池技術(shù)也是一種非常經(jīng)典的用于分配大量小對象的后備緩存技術(shù)。

5.1 創(chuàng)建內(nèi)存池

mempool_t *mempool_create(int min_nr, mempool_alloc_t *alloc_fn, \
  mempool_free_t *free_fn, void *pool_data);

mempool_create() 函數(shù)用于創(chuàng)建一個內(nèi)存池，min_nr 參數(shù)是需要預(yù)分配對象的數(shù)目，alloc_fn 和 free_fn 是指向內(nèi)存池機制提供的標(biāo)準對象分配和回收函數(shù)的指針，其原型分別為：

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

pool_data 是分配和回收函數(shù)用到的指針，gfp_mask 是分配標(biāo)記。只有當(dāng)_ _GFP_WAIT 標(biāo)記被指定時，分配函數(shù)才會休眠。

5.2 分配和回收對象

在內(nèi)存池中分配和回收對象需由以下函數(shù)來完成：

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

mempool_alloc() 用來分配對象，如果內(nèi)存池分配器無法提供內(nèi)存，那么就可以用預(yù)分配的池。

5.3 銷毀內(nèi)存池

void mempool_destroy(mempool_t *pool);

mempool_create() 函數(shù)創(chuàng)建的內(nèi)存池需由 mempool_destroy() 來回收。

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