linux kmalloc 函数

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#linux #内存内存管理 #kmalloc

于 2022-07-15 15:25:53 首次发布

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本文详细比较了kmalloc和vmalloc在内核内存分配中的异同，着重讲解了kmalloc的内存限制、工作原理与测试案例，以及它们在连续性和大块内存分配上的区别。同时介绍了相关的API和释放接口。

作用：内核分配连续物理内存的接口函数，在虚拟地址空间上也是连续的。

与vmalloc的比较：

相同点：都是用于内核空间内存分配，对应的虚拟地址空间连续，且按字节为单位。

异同点：kmalloc分配的物理内存是连续的，vmalloc分配的物理内存可以不连续，但是虚拟地址空间连续。kmalloc分配的物理内存受限于页面最高阶数及页面大小，vmalloc则只受限于系统内存大小。kmalloc既支持大块内存分配也支持小块内存分配，大块内存使用页面分配器，小内存使用slab分配器，而vmalloc用于大块内存分配器，并且最好分配内存大小是整页级的，否则会导致内存空间浪费。

一次分配的最大内存数量，不能超过系统页面最高阶数，比如页面最高阶数MAX_ORDER为11，那么最大的分配内存数量为 2^10 * 4K = 4M，在__alloc_pages里限制。调用栈如下：

kmalloc
  |-> kmalloc_large # 分配内存大于一个页面
  |    |-> kmalloc_order_trace
  |            |-> kmalloc_order
  |                    |-> alloc_pages # 调用物理页面分配器分配内存
  |                            |-> alloc_pages_node
  |                                    |-> __alloc_pages_node
  |                                            |-> __alloc_pages # 检查分配页面阶数是否大于等于最高阶
  |                                                    
  |
  |
  |-> __kmalloc # 分配内存小于一个页面，通过slab分配器分配内存
         |-> __do_kmalloc
                 |-> kmalloc_slab
                 |     |-> kmalloc_caches    
                 |-> slab_alloc
                         |-> slab_pre_alloc_hook
                         |-> kfence_alloc
                         |-> cache_alloc_debugcheck_before
                         |-> __do_cache_alloc
                         |-> cache_alloc_debugcheck_after
                         |-> prefetchw
                         |-> slab_want_init_on_alloc
                         |-> slab_post_alloc_hook

测试代码kmalloc_test.c

// kmalloc_test.c

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/slab.h>


static int *p = NULL;

static int __init kmalloc_test_init(void)
{
	p = kmalloc(4 * 1024 * 1024, GFP_KERNEL);		
	printk(KERN_INFO "address: %p\n", p);
	return 0;
}

static void __exit kmalloc_test_exit(void)
{
	printk("exit\n");
	if (p != NULL)
		kfree(p);
}

module_init(kmalloc_test_init);
module_exit(kmalloc_test_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

Makefile如下：

obj-m+=kmalloc_test.o
CONFIG_MODULE_SIG=n
all:
	make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build/ M=$(PWD) modules
clean:
	make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build/ M=$(PWD) clean

测试结果如下图所示，插入内核模块分配一块4M（阶数为10）大小的物理内存块，对应的阶数为10，阶数为10的内存块从548减少为547，删除内核模块回收内存块，阶数为10的内存块数量增加一，变为548。

kmalloc提供的分配内存接口：

// 头文件 <linux/slab.h>

kmalloc：分配连续物理内存空间，内存地址上的内容随机。
kzalloc：分配连续物理内存，并将所分配内存空间设置为0。
kmalloc_node：指定的numa节点上分配连续物理内存空间。
kzalloc_node：指定的numa节点上分配连续的物理内存空间，并设置为0。

上述分配接口对应的释放内存接口：kfree


kvmalloc：根据分配内存大小调用kmalloc，或vmalloc，防止内存分配失败。
kvzalloc：根据分配内存大小调用kmalloc或vmalloc分配物理内存。
kvmalloc_node：指定的numa节点上根据分配内存大小调用kmalloc或vmalloc分配物理内存，防止内存分配失败。
kvmalloc_array：同kvzalloc，一次性分配多个，并返回数组。
kvcalloc：同kvmalloc_array，并将分配的内存空间设置为0.

对应的释放内存接口：kvfree