lv14 内核内存管理、动态分频及IO访问 12

一、内核内存管理框架

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

补充：

Linux内存管理采用了虚拟内存机制，这个机制可以在内存有限的情况下提供更多可用的内存空间。每个进程都有自己独立的虚拟地址空间，应用程序只能访问自己的地址空间，而不能直接访问其他进程的地址空间或内核空间。

当应用程序需要访问某些数据时，它会使用虚拟地址来引用这些数据。实际上，这些虚拟地址并不是直接映射到物理内存，而是由操作系统进行转换。操作系统将虚拟地址映射到物理内存中的一些页框（Page Frame），这个过程称为页表映射（Page Table Mapping）。

因此，每个应用程序都有自己的页表，它们被存储在内存中，这些页表以及对应的物理页框在不同的时间可能会被交换到硬盘上，从而释放内存空间。当应用程序访问虚拟地址时，操作系统会根据页表映射的结果找到相应的物理页框，然后将数据从物理内存中读取出来。

由于每个应用程序都有自己独立的虚拟地址空间和页表，所以应用程序之间的内存访问是相互隔离的。这种隔离机制可以保证每个应用程序只能访问自己的内存空间，而不能对其他应用程序或操作系统造成干扰。这也是为什么应用程序内存不会影响到其他内存的原因。

0~1G虚拟地址给内核用

1~4G虚拟地址给应用程序用（我们这次研究这块）

内核地址空间划分图：

3G~3G+896M：低端内存，直接映射 虚拟地址 = 3G + 物理地址（虚拟地址连续，物理地址也连续）

细分为：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL

分配方式：

1. kmalloc:小内存分配，slab算法
2. get_free_page：整页分配，2的n次方页，n最大为10

大于3G+896M：高端内存

细分为：vmalloc区、持久映射区、固定映射区

分配方式：

vmalloc：虚拟地址连续，物理地址不连续

二、内核中常用动态分配

2.1 kmalloc

函数原型：

void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);

　　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。 　　

较常用的 flags（分配内存的方法）：

• 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）。

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 　　

对应的内存释放函数为：

void kfree(const void *objp);
void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags)