LV10-06-内核内存管理-01-基础知识

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本文主要是内核内存管理基础知识的相关笔记，若笔记中有错误或者不合适的地方，欢迎批评指正😃。

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一、虚拟地址

通常32位Linux内核地址空间划分0~3G为用户空间，3~4G为内核空间，为了充分利用和管理系统内存资源，Linux采用虚拟内存管理技术，利用虚拟内存技术让每个进程都有 4GB 互不干涉的虚拟地址空间。

不管是用户空间还是内核空间，我们使用的地址都是虚拟地址，当需进程要实际访问内存的时候，会由内核的请求分页机制产生缺页异常，然后调入物理内存页。

二、物理地址

linux 内核将物理内存等分成 N 块 4KB ，称之为一页，每页都用一个 struct page 来表示，采用伙伴关系算法维护（暂时没有深究），所有的物理内存会被内核大概分为 3 个管理区域，分别为：

  • ZONE_DMA

DMA内存区域，包含0MB~16MB之间的内存页框，可以由老式基于 ISA 的设备通过 DMA 使用，直接映射到内核的地址空间。

  • ZONE_NORMAL

普通内存区域，包含16MB~896MB之间的内存页框，常规页框，直接映射到内核的地址空间。

  • ZONE_HIGHMEM

高端内存区域，包含896MB以上的内存页框，不进行直接映射，可以通过永久映射和临时映射进行这部分内存页框的访问。

image-20220918183307252

三、映射关系

虚拟地址和物理地址有怎样的映射关系呢？大概如下图所示：

image-20220918183702011

内核空间虚拟地址各部分详情如下：

虚拟内核空间划分图

【说明】图中high_memory处为虚拟地址3GB + 896MB的位置，PAGE_OFFSET处为虚拟地址3GB位置，也就是内核空间开始的位置。

  • 低端内存

内核空间前896MB的空间被称为低端内存，也就是虚拟地址的3GB~3GB+896MB的范围，这一部分的虚拟地址可以直接与896MB大小的物理内存进行映射，加上一个偏移量就可以了，即：虚拟地址 = 3G + 物理地址。可被直接映射的这部分物理内存可以细分为ZONE_DMA和ZONE_NORMAL。

低端内存分配方式：

（1）使用 kmalloc() 进行分配，它是一种小内存分配，采用的是 slab 算法，分配的内存虚拟地址连续，物理地址也连续。

（2）使用 get_free_page() 函数进行分配，它是整页分配，每次分配2的n次方页内存空间，n 最大为10，需要申请大片的内存空间的时候可以采用此种方式，它分配的内存虚拟地址连续，物理地址也连续。

  • 高端内存

大于3G+896M的内核空间被称为高端内存，也就是虚拟地址的 3GB+896MB ~4GB的范围，可以细分为vmalloc区、持久映射区、固定映射区

高端内存分配方式：

使用 vmalloc() 函数进行分配，使用该函数申请的内存空间的虚拟地址连续，但是物理地址不连续。

四、内核中常用动态分配

1. kmalloc

1.1 kmalloc()

我们使用以下命令查询一下函数所在头文件：

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grep kmalloc -r -n ~/5linux/linux-3.14/include
# 搜索结果过多的话，可以加强搜索关键字
grep "*kmalloc(" -r -n ~/5linux/linux-3.14/include

经过查找，我们可以得到如下信息：

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/* 需包含的头文件 */
#include <linux/slab.h>

/* 函数定义 */
static __always_inline void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags)
{
        if (__builtin_constant_p(size)) {
                if (size > KMALLOC_MAX_CACHE_SIZE)
                        return kmalloc_large(size, flags);
#ifndef CONFIG_SLOB
                if (!(flags & GFP_DMA)) {
                        int index = kmalloc_index(size);

                        if (!index)
                                return ZERO_SIZE_PTR;

                        return kmem_cache_alloc_trace(kmalloc_caches[index],
                                        flags, size);
                }
#endif
        }
        return __kmalloc(size, flags);
}

【函数说明】该函数用于动态申请内存，kmalloc() 申请的内存位于直接映射区域，而且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，因为存在较简单的转换关系，所以对申请的内存大小有限制，不能超过128KB。

【函数参数】

  • size：size_t类型，表示要申请的内存空间的大小，注意不要超过128KB。
  • flags：gfp_t类型，表示分配内存的方法。
点击查看 flags 常用取值
flags说明
GFP_ATOMIC分配内存的过程是一个原子过程，分配内存的过程不会被（高优先级进程或中断）打断。
GFP_KERNEL正常分配内存。
GFP_DMA给 DMA 控制器分配内存，需要使用该标志（DMA要求分配虚拟地址和物理地址连续）。
  • 参考用法
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flags 的参考用法
　|– 进程上下文，可以睡眠　　　　 GFP_KERNEL 
　|– 异常上下文，不可以睡眠　　　 GFP_ATOMIC 
　|　　|– 中断处理程序　　　　　　GFP_ATOMIC 
　|　　|– 软中断　　　　　　　　　GFP_ATOMIC 
　|　　|– Tasklet　　　　　　　　GFP_ATOMIC 
　|– 用于DMA的内存，可以睡眠　　　GFP_DMA | GFP_KERNEL 
　|– 用于DMA的内存，不可以睡眠　　GFP_DMA | GFP_ATOMIC

【返回值】void * 类型，返回分配好的内存的首地址，一般都需要进行强制类型转换，转换为我们需要的类型，分配失败返回NULL。

【使用格式】none

【注意事项】 none

1.2 kzalloc()

我们使用以下命令查询一下函数所在头文件：

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grep kzalloc -r -n ~/5linux/linux-3.14/include
# 搜索结果过多的话，可以加强搜索关键字
grep "*kzalloc(" -r -n ~/5linux/linux-3.14/include

经过查找，我们可以得到如下信息：

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/* 需包含的头文件 */
#include <linux/slab.h>

/* 函数定义 */
/**
 * 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);
}

【函数说明】该函数用于动态申请内存，并且将申请的内存区域初始化为0（可以看出其实是通过调用kmalloc完成的分配）。

【函数参数】

  • size：size_t类型，表示要申请的内存空间的大小，注意不要超过128KB。
  • flags：gfp_t类型，表示分配内存的方法，同 kmalloc()。

【返回值】void * 类型，返回分配好的内存的首地址，一般都需要进行强制类型转换，转换为我们需要的类型，分配失败返回NULL。

【使用格式】none

【注意事项】 none

1.3 kfree()

我们使用以下命令查询一下函数所在头文件：

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grep kfree -r -n ~/5linux/linux-3.14/include
# 搜索结果过多的话，可以加强搜索关键字
grep "void kfree" -r -n ~/5linux/linux-3.14/include

经过查找，我们可以得到如下信息：

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/* 需包含的头文件 */
#include <linux/slab.h>

/* 函数声明 */
void kfree(const void *objp);

【函数说明】该函数用于释放通过 kmalloc() 或者 kkzalloc() 函数申请的动态内存。

【函数参数】

  • objp：void * 类型，表示要释放的内存空间的首地址。

【返回值】none

【使用格式】none

【注意事项】 none

2. vmalloc

2.1 vmalloc()

我们使用以下命令查询一下函数所在头文件：

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grep vmalloc -r -n ~/5linux/linux-3.14/include
# 搜索结果过多的话，可以加强搜索关键字
grep "*vmalloc(" -r -n ~/5linux/linux-3.14/include

经过查找，我们可以得到如下信息：

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/* 需包含的头文件 */
#include <linux/vmalloc.h>

/* 函数声明 */
extern void *vmalloc(unsigned long size);

【函数说明】该函数用于动态申请内存，vmalloc() 函数会在虚拟内存空间给出一块连续的内存区，但这片连续的虚拟内存在物理内存中并不一定连续。由于 vmalloc() 没有保证申请到的是连续的物理内存，因此对申请的内存大小没有限制，如果需要申请较大的内存空间就需要用此函数了。。

【函数参数】

  • size：unsigned long类型，表示要申请的内存空间的大小。

【返回值】void * 类型，返回分配好的内存的首地址，一般都需要进行强制类型转换，转换为我们需要的类型，分配失败返回NULL。

【使用格式】none

【注意事项】 vmalloc() 可以睡眠，因此不能从异常上下文调用。

2.2 vfree()

我们使用以下命令查询一下函数所在头文件：

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grep vfree -r -n ~/5linux/linux-3.14/include
# 搜索结果过多的话，可以加强搜索关键字
grep "void vfree" -r -n ~/5linux/linux-3.14/include

经过查找，我们可以得到如下信息：

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/* 需包含的头文件 */
#include <linux/vmalloc.h>

/* 函数声明 */
extern void vfree(const void *addr);

【函数说明】该函数用于释放通过 vmalloc() 函数申请的动态内存。

【函数参数】

  • addr：void * 类型，表示要释放的内存空间的首地址。

【返回值】none

【使用格式】none

【注意事项】 vfree() 可以睡眠，因此不能从异常上下文调用。

3. kmalloc & vmalloc

  • kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的共同特点是：

（1）用于申请内核空间的内存；

（2）内存以字节为单位进行分配；

（3）所分配的内存虚拟地址上连续；

  • kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的区别是：

（1）kzalloc 是强制清零的 kmalloc 操作；（以下描述不区分 kmalloc 和 kzalloc）

（2）kmalloc 分配的内存大小有限制（128KB），而 vmalloc 没有限制；

（3）kmalloc 可以保证分配的内存物理地址是连续的，但是 vmalloc 不能保证；

（4）kmalloc 分配内存的过程可以是原子过程（使用 GFP_ATOMIC），而 vmalloc 分配内存时则可能产生阻塞；

（5）kmalloc 分配内存的开销小，因此 kmalloc 比 vmalloc 要快；

4. 选择原则

一般情况下，内存只有在要被 DMA 访问的时候才需要物理上连续，但为了性能上的考虑，内核中一般使用 kmalloc()，而只有在需要获得大块内存时才使用 vmalloc()。

总的来说：

（1）小内存（< 128k）用kmalloc，大内存用vmalloc或get_free_page；

（2）如果需要比较大的内存，并且要求使用效率较高时用 get_free_page，否则用vmalloc。