[RK3568 Android11] 教程之kmalloc动态申请内存

最新推荐文章于 2024-03-22 21:50:48 发布
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分类专栏： RK3568 Android11从开发入门到能独立开发教程 文章标签： kmalloc kmalloc函数 内核kmalloc kfree 内核动态申请内存
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本文档详细介绍了RK3568平台Android11系统中，如何使用kmalloc函数动态申请内核内存，包括kmalloc的头文件、函数定义、参数说明、返回值解析，以及配套的释放内存函数kfree的使用。通过代码实例展示了kmalloc的使用场景，并提醒了注意事项，如kmalloc最大内存限制、内存初始化状态和释放内存的重要性。

总目录链接：[RK3568 Android11] 本专栏说明和总目录

目录

前言

一、kmalloc头文件

二、kmalloc函数定义

三、代码演示

四、注意事项

前言

        在内核代码中，如果变量参数需要使用到大量的内存空间，可以使用内存动态申请函数来获取独立的数据存储空间，例如：kmalloc()、kzalloc()和vmalloc()等；此篇讲解kmalloc函数；
        kmalloc函数功能描述：kmalloc()函数动态申请的内存位于物理内存映射区域，分配在物理内存上是连续的，虚拟地址自然也是连续的；kmalloc对申请的内存大小有限制；

一、kmalloc头文件

        头文件：

#include<linux/slab.h>

        头文件路径：

kernel/include/linux/slab.h
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### 回答问题 `kmalloc()` 是 Linux 内核中最常用的内存分配函数之一，用于在内核空间中分配**小块、连续的物理和虚拟内存**。它并不是直接调用伙伴系统来分配内存，而是基于 **slab 分配器（或其变种 SLUB/SLAB/SLOB）** 实现的。 > ✅ **`kmalloc()` 通过 slab 分配器申请内存，而 slab 分配器底层使用伙伴系统来获取大块内存页作为缓存池。** --- ### 详细解释 #### 1. `kmalloc()` 的基本用法 ```c #include <linux/slab.h> void *ptr = kmalloc(size, GFP_KERNEL); if (!ptr) return -ENOMEM; // 使用内存 strcpy(ptr, "Hello from kmalloc"); // 释放 kfree(ptr); ``` - `size`: 要分配的字节数（不是页大小，可以是任意小尺寸） - `GFP_KERNEL`: 分配标志，控制行为（是否可睡眠等） --- #### 2. `kmalloc()` 的实现原理：三层结构 Linux 内核中 `kmalloc()` 的实现分为三个层次： ``` +------------------+ | kmalloc() | ← 用户接口，分配任意大小的小内存 +------------------+ ↓ +------------------+ | Slab Allocator | ← SLUB/SLAB 管理固定大小的对象缓存 | (如 kmem_cache) | +------------------+ ↓ +------------------+ | Buddy System | ← 提供 2^order 页的大块内存给 slab 使用 +------------------+ ``` ##### 🔹 第一层：`kmalloc()` 接口 - 内核预定义了一组大小固定的 **kmalloc caches**（例如 `kmalloc-32`, `kmalloc-64`, ..., `kmalloc-8192`） - 当你调用 `kmalloc(100)`，系统会选择最小的大于等于 100 字节的 cache（比如 `kmalloc-128`） ##### 🔹 第二层：Slab 分配器（以 SLUB 为例） - 每个 `kmalloc-N` 对应一个 `struct kmem_cache` - 这些 cache 在启动时由 `create_kmalloc_cache()` 创建 - 分配时从对应的 slab 缓存中取出一个对象 ##### 🔹 第三层：伙伴系统 - 当 slab 缓存中没有空闲对象时，会向伙伴系统申请一页或多页内存作为新的 slab - 例如：`kmalloc-128` 的 slab 可能占用一个页面（4KB），可容纳 32 个对象（4KB / 128B = 32） --- #### 3. 示例代码：`kmalloc()` 如何工作 假设我们调用： ```c char *buf = kmalloc(100, GFP_KERNEL); ``` 内核执行流程如下： ```c kmalloc(100, GFP_KERNEL) └→ __kmalloc(size=100, flags=GFP_KERNEL) └→ kmalloc_slab(size=100) → 找到合适的 cache（如 kmalloc-128） └→ kmem_cache_alloc_trace(cache=kmalloc-128, GFP_KERNEL) └→ slab_alloc() ├→ 如果有空闲对象：直接返回 └→ 否则：slab_reap() → 从 buddy 获取新页 → 构造新 slab ``` 最终返回的内存是： - ✅ 物理连续 - ✅ 虚拟连续 - ✅ 快速分配（因为是从缓存中取） --- #### 4. 查看当前 kmalloc 缓存信息 你可以通过以下命令查看所有 `kmalloc` 相关的 slab 缓存： ```bash cat /proc/slabinfo | grep kmalloc ``` 输出示例（取决于架构和配置）： ``` kmalloc-192 0 0 192 21 8 : tunables 0 0 0 : slabdata 0 0 : 0 kmalloc-128 256 256 128 32 8 : tunables 0 0 0 : slabdata 10 10 : 0 kmalloc-96 192 192 96 42 8 : tunables 0 0 0 : slabdata 8 8 : 0 kmalloc-64 512 512 64 64 8 : tunables 0 0 0 : slabdata 8 8 : 0 ``` 字段说明： - 名称：缓存名（`kmalloc-N` 表示每个对象 N 字节） - 第一列数字：已分配的对象数 - 第二列：总对象数 - 第三列：每个对象大小（bytes） - 第四列：每页可容纳对象数 - 第五列：每 slab 的页数（通常为 1） --- #### 5. `kmalloc()` 和 `vmalloc()` / `get_free_pages()` 的对比 | 特性 | `kmalloc()` | `get_free_pages()` | `vmalloc()` | |------|-------------|--------------------|------------| | 物理连续 | ✅ 是 | ✅ 是 | ❌ 否 | | 虚拟连续 | ✅ 是 | ✅ 是 | ✅ 是 | | 分配粒度 | 小对象（≤ 数百 KB） | 页对齐（4KB 倍数） | 任意大小 | | 底层机制 | slab 分配器 | 伙伴系统 | 非连续页表映射 | | 是否阻塞 | 取决于 `GFP_XXX` | 同左 | 可能睡眠 | | 典型用途 | 结构体内存、设备驱动缓冲区 | 大块 DMA 内存 | 大块非连续内存 | --- ### 总结 > 🟩 `kmalloc()` 并不直接使用伙伴系统申请内存 > 🟥 而是通过 **slab 分配器中的预建缓存（如 kmalloc-32, kmalloc-64 等）** 来快速分配 > 🟦 slab 分配器在需要更多内存时，才通过 **伙伴系统分配页框** 来扩充缓存 这种设计的好处： - ⚡️ 快速分配小对象（避免频繁调用伙伴系统） - 🧼 减少内部碎片（按需选择最接近的缓存） - 🔁 支持构造函数、析构函数（面向对象风格） --- ###
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