先上基礎(chǔ)，下圖是Linux的內(nèi)存映射模型

• 每一個(gè)進(jìn)程都有自己的進(jìn)程空間，進(jìn)程空間的0-3G是用戶空間，3G-4G是內(nèi)核空間
• 每個(gè)進(jìn)程的用戶空間不在同一個(gè)物理內(nèi)存頁(yè)，但是所有的進(jìn)程的內(nèi)核空間對(duì)應(yīng)同樣的物理地址
• vmalloc分配的地址可以高端內(nèi)存，也可以是低端內(nèi)存
• 0-896MB的物理地址是線性映射到物理映射區(qū)的。  

內(nèi)存動(dòng)態(tài)申請(qǐng)

和應(yīng)用層一樣，內(nèi)核程序也需要?jiǎng)討B(tài)的分配內(nèi)存，不同的是，內(nèi)核進(jìn)程可以控制分配的內(nèi)存是在用戶空間還是內(nèi)核空間，前者可以用于給用戶空間的堆區(qū)分配內(nèi)存，eg，用戶進(jìn)程的用戶空間的malloc最終就會(huì)通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用回調(diào)內(nèi)核空間的內(nèi)存分配函數(shù)，此時(shí)該內(nèi)存分配函數(shù)就屬于該用戶進(jìn)程，可以給在該用戶進(jìn)程的堆區(qū)分配空間并返回，最終使得一個(gè)用會(huì)進(jìn)程在自己的用戶空間獲得內(nèi)存分配;后者只在內(nèi)核空間分配，所以用戶進(jìn)程不能直接訪問(wèn)該空間，所以多用在滿足內(nèi)核程序自身的內(nèi)存需求，下面是Linux內(nèi)核空間申請(qǐng)內(nèi)存常用API：

kmalloc - kfree

kmalloc申請(qǐng)的內(nèi)存在物理內(nèi)存上是連續(xù)的，他們與真實(shí)的物理地址只有一個(gè)固定的偏移，因此存在簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換關(guān)系。這個(gè)API 多用來(lái)申請(qǐng)不到一個(gè)page大小的內(nèi)存。kmalloc的底層需要調(diào)用__get_free_pages，參數(shù)中表示內(nèi)存類型的gtp_t flags正是這個(gè)函數(shù)的縮寫(xiě)，常用的內(nèi)存類型有GFP_USER,GFP_KERNEL,GFP_ATOMIC幾種。

• GFP_USER表示為用戶空間頁(yè)分配內(nèi)存，可以阻塞;
• GFP_KERNEL是最常用的flag，注意，使用這個(gè)flag來(lái)申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)，如果暫時(shí)不能滿足，會(huì)引起進(jìn)程阻塞，So，一定不要在中斷處理函數(shù)，tasklet和內(nèi)核定時(shí)器等非進(jìn)程上下文中使用GFP_KERNEL!!!
• GFP_ATOMIC就可以用于上述三種情境,這個(gè)flag表示如果申請(qǐng)的內(nèi)存不能用，則立即返回。

/** 
 * kmalloc - allocate memory 
 * @size: how many bytes of memory are required. 
 * @flags: the type of memory to allocate. 
 * The @flags argument may be one of: 
 * %GFP_USER - Allocate memory on behalf of user.  May sleep. 
 * %GFP_KERNEL - Allocate normal kernel ram.  May sleep. 
 * %GFP_ATOMIC - Allocation will not sleep.  May use emergency pools. 
 *  
 * For example, use this inside interrupt handlers. 
 */ 
void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags); 
/** 
 * kfree - free previously allocated memory 
 * @objp: pointer returned by kmalloc. 
 * If @objp is NULL, no operation is performed. 
 */ 
void kfree(const void *objp);  

同系列API還有

void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags)     

__get_free_pages - free_pages

__get_free_pages()與kmalloc()一樣是物理連續(xù)的內(nèi)存，這一系列函數(shù)是Linux內(nèi)核中***層的用于獲取空閑內(nèi)存的方法，因?yàn)榈讓拥腷uddy算法都是以(2^n)×PAGE_SIZE來(lái)管理內(nèi)存的，所以他們總是以頁(yè)為單位分配內(nèi)存的

unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)  void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order)  

同系列API還有

unsigned long __get_free_page(gfp_t gfp)        unsigned long get_zeroed_page(gfp_t gfp_mask)    struct page *alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order) 

void free_page(unsigned long addr) 

vmalloc - vfree

vmalloc在虛擬內(nèi)存空間給出一塊連續(xù)的內(nèi)存區(qū)，實(shí)質(zhì)上，這片連續(xù)的虛擬內(nèi)存在物理內(nèi)存中并不一定連續(xù)，所以vmalloc申請(qǐng)的虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存之間也就沒(méi)有簡(jiǎn)單的換算關(guān)系，正因如此，vmalloc()通常用于分配遠(yuǎn)大于__get_free_pages()的內(nèi)存空間，它的實(shí)現(xiàn)需要建立新的頁(yè)表，此外還會(huì)調(diào)用使用GFP_KERN的kmalloc，so，一定不要在中斷處理函數(shù)，tasklet和內(nèi)核定時(shí)器等非進(jìn)程上下文中使用vmalloc!

/**      
 * vmalloc  -  allocate virtually contiguous memory 
 * @size:          allocation size 
 * Allocate enough pages to cover @size from the page level allocator and map them into contiguous kernel virtual space. 
 */void *vmalloc(unsigned long size)   /** 
 *      vfree  -  release memory allocated by vmalloc() 
 *      @addr:          memory base address 
 */void vfree(const void *addr)   

同系列的API還有

/** 
 * vmalloc_32  -  allocate virtually contiguous memory (32bit addressable) 
 * @size:          allocation size 
 * Allocate enough 32bit PA addressable pages to cover @size from the page level allocator and map them into contiguous kernel virtual space. 
 */void *vmalloc_32(unsigned long size)   

slab緩存

我們知道，頁(yè)是內(nèi)存映射的基本單位，但內(nèi)核中很多頻繁創(chuàng)建的對(duì)象所需內(nèi)存都不到一頁(yè)，此時(shí)如果仍然按照頁(yè)映射的方式，頻繁的進(jìn)行分配和釋放就會(huì)造成資源的浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)降低系統(tǒng)性能。為了解決的這樣的問(wèn)題，內(nèi)核引入了slab機(jī)制，使對(duì)象在前后兩次被使用時(shí)被分配在同一塊內(nèi)存或同一類內(nèi)存空間，且保留了基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就可以大大提高效率。kmalloc的底層即是使用slab算法管理分配的內(nèi)存的。注意，slab依然是以頁(yè)為單位進(jìn)行映射，只是映射之后分割這些頁(yè)為相同的更小的單元，從而節(jié)省了內(nèi)存。slab分配的單元不能小于32B或大于128K。

/** 
 * kmem_cache_create - 創(chuàng)建slab緩存對(duì)象 
 * @name:slab緩存區(qū)名字， 
 * @size:slab分配的緩存區(qū)的每一個(gè)單元的大小 
 * @align:緩存區(qū)內(nèi)存的對(duì)齊方式，一般給0 
 * @flags:控制分配的位掩碼， 
 * %SLAB_POISON - Poison the slab with a known test pattern (a5a5a5a5) to catch references to uninitialised memory. 
 * %SLAB_RED_ZONE - Insert `Red' zones around the allocated memory to check for buffer overruns. 
 * %SLAB_HWCACHE_ALIGN - Align the objects in this cache to a hardware cacheline.  This can be beneficial if you're counting cycles as closely as davem. 
 * %SLAB_CACHE_DMA - Use GFP_DMA memory 
 * %SLAB_STORE_USER - Store the last owner for bug hunting 
 *define SLAB_PANIC - Panic if kmem_cache_create() fails  
 */struct kmem_cache *kmem_cache_create(const char *name, size_t size, size_t align,unsigned long flags, void (*ctor)(void *))/** 
 * kmem_cache_alloc - Allocate an object from this cache.  
 * @cachep: The cache to allocate from. 
 * @flags: See kmalloc(). 
 * The flags are only relevant if the cache has no available objects. 
 */void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags)  /** 
 * kmem_cache_free - Deallocate an object 
 * @cachep: The cache the allocation was from. 
 * @objp: The previously allocated object. 
 * Free an object which was previously allocated from this cache. 
 */void kmem_cache_free(struct kmem_cache *cachep, void *objp)  void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *s)   

范例

//創(chuàng)建slab對(duì)象 
 
struct kmem_cache_t *xj_sbcache; 
xj_sbcache = kmem_cache_create("xjslab",sizeof(struct xj_unit_t),0,SLAB_CACHE_DMA|SLAB_PANIC，NULL,NULL);//分配slab緩存 
 
struct xj_unit_t *xj_unit; 
xj_unit = kmem_cache_alloc(xj_sbcache,GFP_KERNEL); 
/* 使用slab緩存 */ 
/* 釋放slab緩存 */ 
 
kmem_cache_free(xj_sbcache, xj_unit); 
/* 銷毀slab緩存 */ 
 
kmem_cache_destroy(xj_sbcache);  

內(nèi)存池

除了slab機(jī)制，內(nèi)核還提供了傳統(tǒng)的內(nèi)存池機(jī)制來(lái)管理小塊內(nèi)存的分配。內(nèi)存池主要是用來(lái)解決可能出現(xiàn)的內(nèi)存不足的情況，因?yàn)橐粋€(gè)內(nèi)存池在創(chuàng)建的時(shí)候就已經(jīng)分配好了一內(nèi)存，當(dāng)我們用mempool_alloc向一個(gè)已經(jīng)創(chuàng)建好的內(nèi)存池申請(qǐng)申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)，該函數(shù)首先會(huì)嘗試回調(diào)內(nèi)存池創(chuàng)建時(shí)的分配內(nèi)存函數(shù)，如果已經(jīng)沒(méi)有內(nèi)存可以分配，他就會(huì)使用內(nèi)存池創(chuàng)建時(shí)預(yù)先分配的內(nèi)存，這樣就可以避免因?yàn)闊o(wú)內(nèi)存分配而陷入休眠，當(dāng)然，如果預(yù)分配的內(nèi)存也已經(jīng)使用完畢，還是會(huì)陷入休眠。slab機(jī)制的目的是提高內(nèi)存使用率以及內(nèi)存管理效率，內(nèi)存池的目的是避免內(nèi)存的分配失敗。下面是內(nèi)核中提供的關(guān)于內(nèi)存池的API 

/**      
 * mempool_create - create a memory pool 
 * @min_nr:    the minimum number of elements guaranteed to be  allocated for this pool. 
 * @alloc_fn:  user-defined element-allocation function. 
 * @free_fn:   user-defined element-freeing function. 
 * @pool_data: optional private data available to the user-defined functions. 
 *               
 * this function creates and allocates a guaranteed size, preallocated memory pool. The pool can be used from the mempool_alloc() and mempool_free() functions.  
 * This function might sleep. Both the alloc_fn() and the free_fn() functions might sleep - as long as the mempool_alloc() function is not called from IRQ contexts. 
 */ 
mempool_t *mempool_create(int min_nr, mempool_alloc_t *alloc_fn, mempool_free_t *free_fn, void *pool_data) 
 
/**      
 * mempool_alloc - allocate an element from a specific memory pool 
 * @pool:pointer to the memory pool which was allocated via mempool_create(). 
 * @gfp_mask:  the usual allocation bitmask. 
 * this function only sleeps if the alloc_fn() function sleeps or returns NULL. Note that due to preallocation, this function never* fails when called from process contexts. (it might fail if called from an IRQ context.) 
 */      
void * mempool_alloc(mempool_t *pool, gfp_t gfp_mask)     
 
/** 
 * mempool_free - return an element to the pool. 
 * @element:   pool element pointer. 
 * @pool:pointer to the memory pool which was allocated via mempool_create(). 
 * 
 * this function only sleeps if the free_fn() function sleeps. 
 */      
void mempool_free(void *element, mempool_t *pool)     
 
/** 
 * mempool_destroy - deallocate a memory pool 
 * @pool:pointer to the memory pool which was allocated via mempool_create(). 
 * 
 * Free all reserved elements in @pool and @pool itself.  This function only sleeps if the free_fn() function sleeps. 
 */      
void mempool_destroy(mempool_t *pool)