Linux中动态内存的分配与回收(heap, buddy system, stab)

在设备驱动程序或者内核模块中动态开辟内存，不是用malloc，而是kmalloc ,vmalloc，释放内存用的是kfree,vfree，kmalloc函数返回的是虚拟地址(线性地址). kmalloc特殊之处在于它分配的内存是物理上连续的,这对于要进行DMA的设备十分重要. 而用vmalloc分配的内存只是线性地址连续,物理地址不一定连续,不能直接用于DMA。

vmalloc函数的工作方式类似于kmalloc，只不过它分配的内存虚拟地址是连续的，而物理地址则无需连续。通过vmalloc获得的页必须一个一个地进行映射，效率不高， 因此，只在不得已(一般是为了获得大块内存)时使用。vmalloc函数返回一个指针，指向逻辑上连续的一块内存区，其大小至少为size。在发生错误 时，函数返回NULL。vmalloc可能睡眠，因此，不能从中断上下文中进行调用，也不能从其它不允许阻塞的情况下调用。要释放通过vmalloc所获 得的内存，应使用vfree函数

  slab分配器是Linux内存管理中非常重要和复杂的一部分，其工作是针对一些经常分配并释放的对象，如进程描述符等，这些对象的大小一般比较小，如果直接采用伙伴系统来进行分配和释放，不仅会造成大量的内碎片，而且处理速度也太慢。而slab分配器是基于对象进行管理的，相同类型的对象归为一类(如进程描述符就是一类)，每当要申请这样一个对象，slab分配器就从一个slab列表中分配一个这样大小的单元出去，而当要释放时，将其重新保存在该列表中，而不是直接返回给伙伴系统。slab分配对象时，会使用最近释放的对象内存块，因此其驻留在CPU高速缓存的概率较高。

       用于描述和管理cache的数据结构是struct kmem_cache

伙伴系统算法

　　在实际应用中，经常需要分配一组连续的页框，而频繁地申请和释放不同大小的连续页框，必然导致在已分配页框的内存块中分散了许多小块的 空闲页框这样，即使这些页框是空闲的，其他需要分配连续页框的应用也很难得到满足

　　为了避免出现这种情况，Linux内核中引入了伙伴系统算法(buddy system)把所有的空闲页框分组为11个 块链表，每个块链表分别包含大小为1，2，4，8，16，32，64，128，256，512和1024个连续页框的页框块最大可以申请1024个连 续页框，对应4MB大小的连续内存每个页框块的第一个页框的物理地址是该块大小的整数倍

　　假设要申请一个256个页框的块，先从256个页框的链表中查找空闲块，如果没有，就去512个 页框的链表中找，找到了则将页框块分为2个256个 页框的块，一个分配给应用，另外一个移到256个页框的链表中如果512个页框的链表中仍没有空闲块，继续向1024个页 框的链表查找，如果仍然没有，则返回错误

　　页框块在释放时，会主动将两个连续的页框块合并为一个较大的页框块

　　1.2.slab分 配器

　　slab分配器源于 Solaris 2.4 的 分配算法，工作于物理内存页框分配器之上，管理特定大小对象的缓存，进行快速而高效的内存分配

　　slab分配器为每种使用的内核对象建立单独的缓冲区Linux 内核已经采用了伙伴系统管理物理内存页框，因此 slab分配器直接工作于伙伴系 统之上每种缓冲区由多个 slab 组成，每个 slab就是一组连续的物理内存页框，被划分成了固定数目的对象根据对象大小的不同，缺省情况下一个 slab 最多可以由 1024个页框构成出于对齐 等其它方面的要求，slab 中分配给对象的内存可能大于用户要求的对象实际大小，这会造成一定的 内存浪费

　　2.常用内存分配函数

　　2.1.__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

　　2.2.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

　　2.3.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

　　2.4.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

　　2.5.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

　　2.6.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

　　2.7.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

　　2.7.1.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

　　2.7.2.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

　　3.几种分配函数的比较