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linux 内存分配图

linux 内存的映射 linux 内存分配函数关系

内存管理函数

一.伙伴系统
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。

二.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。

三.内存分配函数

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.kmen_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

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。

给 kmalloc 的第一个参数是要分配的块的大小. 第 2 个参数, 分配标志, 非常有趣, 因为它以几个方式控制 kmalloc 的行为.

最一般使用的标志, GFP_KERNEL, 意思是这个分配((内部最终通过调用 _get_free_pages 来进行, 它是 GFP 前缀的来源) 代表运行在内核空间的进程而进行的. 换句话说, 这意味着调用函数是代表一个进程在执行一个系统调用. 使用 GFP_KENRL 意味着 kmalloc 能够使当前进程在少内存的情况下睡眠来等待一页. 一个使用 GFP_KERNEL 来分配内存的函数必须, 因此, 是可重入的并且不能在原子上下文中运行. 当当前进程睡眠, 内核采取正确的动作来定位一些空闲内存, 或者通过刷新缓存到磁盘或者交换出去一个用户进程的内存.

GFP_KERNEL 不一直是使用的正确分配标志; 有时 kmalloc 从一个进程的上下文的外部调用. 例如, 这类的调用可能发生在中断处理, tasklet, 和内核定时器中. 在这个情况下, 当前进程不应当被置为睡眠, 并且驱动应当使用一个 GFP_ATOMIC 标志来代替. 内核正常地试图保持一些空闲页以便来满足原子的分配. 当使用 GFP_ATOMIC 时, kmalloc 能够使用甚至最后一个空闲页. 如果这最后一个空闲页不存在, 但是, 分配失败.

其他用来代替或者增添 GFP_KERNEL 和 GFP_ATOMIC 的标志, 尽管它们 2 个涵盖大部分设备驱动的需要. 所有的标志定义在 <linux/gfp.h>, 并且每个标志用一个双下划线做前缀, 例如 __GFP_DMA. 另外, 有符号代表常常使用的标志组合; 这些缺乏前缀并且有时被称为分配优先级. 后者包括:

GFP_ATOMIC 用来从中断处理和进程上下文之外的其他代码中分配内存. 从不睡眠.

GFP_KERNEL 内核内存的正常分配. 可能睡眠.

GFP_USER 用来为用户空间页来分配内存; 它可能睡眠.

GFP_HIGHUSER 如同 GFP_USER, 但是从高端内存分配, 如果有. 高端内存在下一个子节描述.

GFP_NOIO GFP_NOFS 这个标志功能如同 GFP_KERNEL, 但是它们增加限制到内核能做的来满足请求. 一个 GFP_NOFS 分配不允许进行任何文件系统调用, 而 GFP_NOIO 根本不允许任何 I/O 初始化. 它们主要地用在文件系统和虚拟内存代码, 那里允许一个分配睡眠, 但是递归的文件系统调用会是一个坏注意.

上面列出的这些分配标志可以是下列标志的相或来作为参数, 这些标志改变这些分配如何进行:

__GFP_DMA 这个标志要求分配在能够 DMA 的内存区. 确切的含义是平台依赖的并且在下面章节来解释.

__GFP_HIGHMEM 这个标志指示分配的内存可以位于高端内存.

__GFP_COLD 正常地, 内存分配器尽力返回”缓冲热”的页 – 可能在处理器缓冲中找到的页. 相反, 这个标志请求一个”冷”页, 它在一段时间没被使用. 它对分配页作 DMA 读是有用的, 此时在处理器缓冲中出现是无用的. 一个完整的对如何分配 DMA 缓存的讨论看”直接内存存取”一节在第 1 章.

__GFP_NOWARN 这个很少用到的标志阻止内核来发出警告(使用 printk ), 当一个分配无法满足.

__GFP_HIGH 这个标志标识了一个高优先级请求, 它被允许来消耗甚至被内核保留给紧急状况的最后的内存页.

__GFP_REPEAT __GFP_NOFAIL __GFP_NORETRY 这些标志修改分配器如何动作, 当它有困难满足一个分配. __GFP_REPEAT 意思是” 更尽力些尝试” 通过重复尝试 – 但是分配可能仍然失败. __GFP_NOFAIL 标志告诉分配器不要失败; 它尽最大努力来满足要求. 使用 __GFP_NOFAIL 是强烈不推荐的; 可能从不会有有效的理由在一个设备驱动中使用它. 最后, __GFP_NORETRY 告知分配器立即放弃如果得不到请求的内存.

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。

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.

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。

7.boot Memory
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。 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。