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Linux Kernel 内存管理

1.page

头文件：

#include <linux/gfp.h>

1.1.get_zeroed_page

函数原型：

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：

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：

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：

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：

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

2.1.pfn_to_kaddr/pfn_to_virt/virt_to_pfn

函数原型：

#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：

#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：

#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：

#include <linux/mm.h>

3.1.mark_page_reserved

函数原型：

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：

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：

#include <linux/slab.h>

4.1.kmalloc

函数原型：

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：

/**
  * 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：

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：

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：

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。
6. kmalloc 申请一段物理地址和逻辑地址连续的内存空间。
7. vmalloc 申请一段逻辑地址连续、物理地址不连续的内存空间。

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()。