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# Linux Kernel 内存管理

## 1.page

**头文件：**

```cpp
#include <linux/gfp.h>
```

### 1.1.get_zeroed_page

**函数原型：**

```c
unsigned long get_zeroed_page(gfp_t gfp_mask);
```

**说明：**

该函数返回一个指向新页的虚拟地址指针并且将该页清零。

**参数：**

gfp_mask：要分配内存的类型。

较常用的 gfp_mask（分配内存的方法）如下：

* 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）。

gfp_mask 的参考用法：

| 说民                   | Flag                  |
|-----------------------|-----------------------|
| 进程上下文，可以睡眠      | GFP_KERNEL           |
| 进程上下文，不可以睡眠(中断处理程序、软中断、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  |

**返回值：**

申请成功返回有效的内核虚拟地址，失败返回 0。

### 1.2.__get_free_pages

**函数原型：**

```c
unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order);
```

**说明：**

该函数可分配多个连续的页并返回首页的指针，分配的页数为 2order，分配的页不清零。order 允许的最大值是 10(即 1024 页)或者 11(即 2048 页)，依赖于具体的硬件平台。

**参数：**

gfp_mask：与 get_zeroed_page 中的 gfp_mask 一致；

order：要分配的页数。

**返回值：**

申请成功返回有效的内核虚拟地址，失败返回 0。

### 1.3.alloc_pages

**函数原型：**

```c
struct page *alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order);
```

**说明：**

与 __get_free_pages 函数一样可分配多个连续的页，但它返回分配的第一个页的描述符而非首地址。分配的页数为 2order，分配的页不清零。order 允许的最大值是 10(即 1024 页)或者 11(即 2048 页)，依赖于具体的硬件平台。

**参数：**

gfp_mask：与 get_zeroed_page 中的 gfp_mask 一致；

order：要分配的页数。

**返回值：**

申请成功返回有效的内存首地址，失败返回 NULL。

### 1.4.free_pages/__free_pages

**函数原型：**

```c
void __free_pages(struct page *page, unsigned int order);
void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order);
void free_page(unsigned long addr);
```

**说明：**

get_zeroed_page 分配的内存页用 free_page 释放；__get_free_pages 分配的内存页用 free_pages 释放；alloc_pages 分配的页用 __free_pages 释放。

**参数：**

page/addr：要释放的内存首地址；

order：要释放的页面数。

**返回值：**

无

## 2. pfn/page/virt 转换方法

**头文件：**

```cpp
#include <asm/memory.h>
// 或
#include <asm/page.h>
```

### 2.1.pfn_to_kaddr/pfn_to_virt/virt_to_pfn

**函数原型：**

```c
#define pfn_to_kaddr(pfn)
#define pfn_to_virt(pfn)
#define virt_to_pfn(kaddr)
```

**说明：**

pfn_to_kaddr/pfn_to_virt 用于将 pfn 转换为内核虚拟地址。有的平台只实现了 pfn_to_kaddr。

virt_to_pfn 用于获取该内核虚拟地址的 pfn 值。

**参数：**

pfn：页面标号；

kaddr：内核虚拟地址。

**返回值：**

pfn_to_virt 返回内核虚拟地址。

virt_to_pfn 返回该内核虚拟地址的 pfn。

### 2.2.pfn_to_page/page_to_pfn

**函数原型：**

```c
#define pfn_to_page(pfn)
#define page_to_pfn(page)
```

**说明：**

将 pfn 和 struct page* 进行相互转换。

**参数：**

pfn：页面标号；

page：struct page* 页面描述结构体。

**返回值：**

pfn 或 struct page*

### 2.3.page_to_virt/virt_to_page

**函数原型：**

```c
#define page_to_virt(page)
#define virt_to_page(kaddr)
```

**说明：**

将 struct page* 和内核虚拟地址进行相互转换。

**参数：**

page：struct page* 页面描述结构体；

kaddr：内核虚拟地址。

**返回值：**

struct page* 或内核虚拟地址。

## 3.reserved

**头文件：**

```cpp
#include <linux/mm.h>
```

### 3.1.mark_page_reserved

**函数原型：**

```c
void mark_page_reserved(struct page *page);
```

**说明：**

标记内存页为 reserved，避免被换出到外存。

**参数：**

page：要标记为 reserved 的内存页。

**返回值：**

无

### 3.2.free_reserved_page

**函数原型：**

```c
void free_reserved_page(struct page *page);
```

**说明：**

释放 reserved 内存。

**参数：**

page：要释放的 reserved 内存页。

**返回值：**

无

## 4.kmalloc/kzalloc/kfree

通过 kmalloc/kzalloc 分配内核空间，通过 kfree 释放。

**头文件：**

```cpp
#include <linux/slab.h>
```

### 4.1.kmalloc

**函数原型：**

```c
void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);
```

**说明：**

kmalloc() 申请的内存位于物理内存映射区域，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，最大只能开辟 128k-16 字节空间，16 个字节是被页描述符结构占用了。

**参数：**

size：要分配的内存大小，以字节为单位；

flags：与 gfp_mask 含义一致。

**返回值：**

申请成功返回有效的内存首地址，失败返回 NULL。

### 4.2.kzalloc

**函数原型：**

```c
/**
  * kzalloc - allocate memory. The memory is set to zero.
  * @size: how many bytes of memory are required.
  * @flags: the type of memory to allocate (see kmalloc).
  */
static inline void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags)
{
    return kmalloc(size, flags | __GFP_ZERO);
}
```

**说明：**

kzalloc() 函数与 kmalloc() 非常相似，参数及返回值是一样的，可以说是前者是后者的一个变种，因为 kzalloc() 实际上只是额外附加了 __GFP_ZERO 标志。所以它除了申请内核内存外，还会对申请到的内存内容清零。

**参数：**

size：要分配的内存大小，以字节为单位；

flags：要分配内存的类型。

**返回值：**

申请成功返回有效的内存首地址，失败返回 NULL。

### 4.3.kfree

**函数原型：**

```c
void kfree(const void *addr);
```

**说明：**

用于释放由 kmalloc/kzalloc 申请的内存。

**参数：**

addr：要释放的内存首地址指针。

**返回值：**

无

## 5.vmalloc/vfree

通过 vmalloc 分配内核空间，通过 vfree 释放。可以分配较大内存。使用 vmalloc 最著名的实例是内核对模块的实现，当模块被动态加载到内核当中时，就把模块装载到由 vmalloc() 分配的内存上。注意：vmalloc() 和 vfree() 可以睡眠，因此不能从中断上下文调用。

### 5.1.vmalloc

**函数原型：**

```c
void *vmalloc(unsigned long size);
```

**说明：**

vmalloc() 函数则会在虚拟内存空间给出一块连续的内存区，但这片连续的虚拟内存在物理内存中并不一定连续。由于 vmalloc() 没有保证申请到的是连续的物理内存，因此对申请的内存大小没有限制，如果需要申请较大的内存空间就需要用此函数了。

**参数：**

size：要分配的内存大小，以字节为单位。

**返回值：**

申请成功返回有效的内存首地址，失败返回 NULL。

### 5.2.vfree

**函数原型：**

```c
void vfree(const void *addr);
```

**说明：**

释放由 vmalloc 分配的内核空间。

**参数：**

addr：要释放的内存首地址指针。

**返回值：**

无

## 6.kmalloc/kzalloc/vmalloc 的比较

kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的共同特点是：

1. 用于申请内核空间的内存；
2. 内存以字节为单位进行分配；
3. 所分配的内存虚拟地址上连续。

kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的区别是：

1. kzalloc 是强制清零的 kmalloc 操作；（以下描述不区分 kmalloc 和 kzalloc）
2. kmalloc 分配的内存大小有限制（128KB），而 vmalloc 没有限制；
3. kmalloc 可以保证分配的内存物理地址是连续的，但是 vmalloc 不能保证；
4. kmalloc 分配内存的过程可以是原子过程（使用 GFP_ATOMIC），而 vmalloc 分配内存时则可能产生阻塞；
5. kmalloc 分配内存的开销小，因此 kmalloc 比 vmalloc 要快。

一般情况下，内存只有在要被 DMA 访问的时候才需要物理上连续，但为了性能上的考虑，内核中一般使用 kmalloc()，而只有在需要获得大块内存时才使用 vmalloc()。