Linux内核内存分配函数之kmalloc

本文介绍Linux内核内存分配函数 kmalloc 。

注：

1） __builtin_constant_p 编译器内联函数，判断传入参数是否为常量。如果是变量，直接调用 __kmalloc 函数。

2） KMALLOC_MAX_CACHE_SIZE 表示系统创建 slab cache 的最大值为8K，定义如下：

RockPI 4A Linux内核使能 ARM64_4K_PAGES 。可使用命令 getconf 查看 page size ，具体如下：

3） kmalloc 一般用于小内存分配，RockPI 4A Linux内核基于 slub （ CONFIG_SLUB=y ）实现。系统先用页分配器分配以页为最小单位的连续物理地址，然后 kmalloc 在此基础上根据调用者的需要进行切分。如果分配超过 KMALLOC_MAX_CACHE_SIZE ，则使用 kmalloc_large 进行大内存分配，即调用页分配器分配内存。（ 后续仔细学习 ）

4） kmalloc 分配的内存在物理上连续，可用于DMA设备。 vmalloc 分配的内存是线性地址连续，物理地址不连续，不可用于DMA设备。

size ：分配内存的大小，以字节为单位；

flags ：分配内存的类型，包括：

1） GFP_USER ：可能会引起休眠，用于为用户空间分配内存。

2） GFP_KERNEL ：可能会引起休眠，用于内核内存正常分配。

3） GFP_ATOMIC ：不会引起休眠，可用于中断处理程序中内存分配。

4） GFP_HIGHUSER ：从高端内存中分配内存。

5） GFP_DMA ：用于DMA内存分配。

6）其它类型见： include/linux/gfp.h

GFP 可理解为 get free page 。

返回分配内存的首地址，是虚拟地址（线性地址）。

正所谓有借有还，再借不难。每次 kmalloc ，都要有对应的内存释放函数 kfree 。定义文件： mm/slub.c ，如下：

/boot 分区是系统启动所需要的文件，就跟windows的C盘中的windows目录类似，这个分区中的文件并不大，只需要100M足够。Swap分区是交换分区，当内存不够时，系统会把这部分空间当内存使用。

/ 分区，其实就是一个根目录，在以后的章节中会介绍到。现在不懂并没有关系，只要知道有这么一个东西即可。/data 这个分区是我们自定义的，就是专门放数据的分区。

如果你安装的是虚拟机，并且你只有8G的磁盘空间，那么我建议你这样分区：

1 /boot 100M

2 swap 内存的2倍

3 / 全部剩余空间更多Linux资讯可参考书籍《Linux就该这么学》。

*** 作系统的内存管理，主要分为三个方面。

第一，物理内存的管理，相当于会议室管理员管理会议室。

第二，虚拟地址的管理，也即在项目组的视角，会议室的虚拟地址应该如何组织。

第三，虚拟地址和物理地址如何映射，也即会议室管理员如果管理映射表。

那么虚拟地址和物理地址如何映射呢？

每一个进程都有一个列表vm_area_struct，指向虚拟地址空间的不同的内存块，这个变量的名字叫mmap。

其实内存映射不仅仅是物理内存和虚拟内存之间的映射，还包括将文件中的内容映射到虚拟内存空间。这个时候，访问内存空间就能够访问到文件里面的数据。而仅有物理内存和虚拟内存的映射，是一种特殊情况。

如果我们要申请小块内存，就用brk。brk函数之前已经解析过了，这里就不多说了。如果申请一大块内存，就要用mmap。对于堆的申请来讲，mmap是映射内存空间到物理内存。

另外，如果一个进程想映射一个文件到自己的虚拟内存空间，也要通过mmap系统调用。这个时候mmap是映射内存空间到物理内存再到文件。可见mmap这个系统调用是核心，我们现在来看mmap这个系统调用。

用户态的内存映射机制包含以下几个部分。

物理内存根据NUMA架构分节点。每个节点里面再分区域。每个区域里面再分页。

物理页面通过伙伴系统进行分配。分配的物理页面要变成虚拟地址让上层可以访问，kswapd可以根据物理页面的使用情况对页面进行换入换出。

对于内存的分配需求，可能来自内核态，也可能来自用户态。

对于内核态，kmalloc在分配大内存的时候，以及vmalloc分配不连续物理页的时候，直接使用伙伴系统，分配后转换为虚拟地址，访问的时候需要通过内核页表进行映射。

对于kmem_cache以及kmalloc分配小内存，则使用slub分配器，将伙伴系统分配出来的大块内存切成一小块一小块进行分配。

kmem_cache和kmalloc的部分不会被换出，因为用这两个函数分配的内存多用于保持内核关键的数据结构。内核态中vmalloc分配的部分会被换出，因而当访问的时候，发现不在，就会调用do_page_fault。

对于用户态的内存分配，或者直接调用mmap系统调用分配，或者调用malloc。调用malloc的时候，如果分配小的内存，就用sys_brk系统调用；如果分配大的内存，还是用sys_mmap系统调用。正常情况下，用户态的内存都是可以换出的，因而一旦发现内存中不存在，就会调用do_page_fault。

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