# Linux Kernel 内存分配

## 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>
```

### 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：要分配内存的类型。

较常用的 flags（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）。

flags 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存首地址，失败返回 NULL。

### 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。

### 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

## 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。

### 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。

### 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

## 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()。