Linux 内核内存申请相关的接口详解

一、核心内存申请接口分类

内核内存申请接口可以根据分配的内存大小、连续性、上下文以及用途等进行分类。

1. Slab 分配器 (kmalloc 家族) – 针对字节大小的连续物理内存

Slab 分配器是内核中最常用的内存分配机制，用于分配较小的、大小固定的、物理上连续的内存块。它通过维护不同大小对象的缓存池（slabs）来减少碎片并提高分配和释放的效率。

• void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags)

• 作用: 分配 size 字节的物理连续内存。返回指向内存块的内核虚拟地址。
• size: 请求的字节数。Slab 分配器会将其向上舍入到最接近的可用缓存大小。最大可分配大小通常受限于几个页（例如 128KB 或 4MB，取决于架构和配置）。
• flags (Get Free Pages flags): 这是非常重要的参数，用于控制分配行为和上下文。常用标志包括：

• GFP_KERNEL: 最常用的标志。允许睡眠（阻塞）。适用于进程上下文，当内存不足时，调用者可能会被阻塞，直到有足够的内存可用。可以进行 I/O 操作和页交换。
• GFP_ATOMIC: 用于原子上下文（中断处理程序、软中断、持有自旋锁时）。不允许睡眠。分配器会尽力分配，但如果内存不足，会立即失败。通常用于分配较小的内存。
• GFP_NOWAIT: 类似于 GFP_ATOMIC，不允许睡眠，但可以用于更广泛的场景，不仅仅是严格的原子上下文。如果内存不足，立即失败。
• GFP_NOIO: 允许睡眠，但不允许执行任何磁盘 I/O 操作来回收内存。
• GFP_NOFS: 允许睡眠和 I/O，但不允许执行任何文件系统相关的操作。
• __GFP_ZERO (与其他 GFP_ 标志组合使用，如 GFP_KERNEL | __GFP_ZERO): 分配内存并将其内容清零。
• __GFP_HIGHMEM: 从高端内存区分配（如果系统有并且请求的是页）。kmalloc 通常不直接使用此标志，因为它分配的是线性映射的内存。
• GFP_DMA / GFP_DMA32: 从适合 DMA 的内存区域分配。

• 返回值: 成功时返回指向分配内存的指针，失败时返回 NULL。必须检查返回值。
• 使用场景: 驱动程序中分配描述符、小缓冲区、内核数据结构等。
• void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags)

• 作用: 等同于 kmalloc(size, flags | __GFP_ZERO)。分配内存并将其初始化为零。
• 使用场景: 当需要一块清零的内存时，使用此函数更简洁。
• void *kcalloc(size_t n, size_t size, gfp_t flags)

• 作用: 分配 n 个 size 大小的对象组成的数组，并将所有字节清零。总分配大小为 n * size。
• 使用场景: 分配清零的对象数组。
• void *krealloc(const void *p, size_t new_size, gfp_t flags)
• 作用: 重新调整指针 p 指向的内存块的大小为 new_size。

• 如果 new_size 为 0，效果等同于 kfree(p) 并返回 NULL。
• 如果 p 为 NULL，效果等同于 kmalloc(new_size, flags)。
• 如果 new_size 小于原大小，内存块可能会被截断。
• 如果 new_size 大于原大小，可能会在原地扩展（如果空间足够），或者分配新的内存块，将旧内容拷贝到新块，然后释放旧块。

• 返回值: 成功时返回指向新内存块的指针，失败时返回 NULL (原内存块 p 保持不变)。
• 注意: krealloc 可能返回与原指针不同的新指针，使用时需更新所有对该内存的引用。
• void kfree(const void *objp)

• 作用: 释放之前通过 kmalloc、kzalloc、kcalloc 或 krealloc 分配的内存。
• objp: 要释放的内存块指针。如果 objp 为 NULL，kfree 不执行任何操作。
• 注意: 传递给 kfree 的指针必须是之前这些分配函数返回的原始指针。重复释放或释放无效指针会导致内核崩溃。

2. 页分配器 (alloc_pages 家族) – 针对页大小的连续物理内存

页分配器是内核内存管理的核心，用于分配一个或多个连续的物理页框。Slab 分配器本身也是构建在页分配器之上的。

• struct page *alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)

• 作用: 分配 2^order 个物理上连续的页框。
• gfp_mask: 与 kmalloc 中的 flags 类似，控制分配行为和内存区域。
• order: 分配阶数。0 表示分配 1 页，1 表示 2 页，2 表示 4 页，依此类推。MAX_ORDER 定义了最大阶数（通常为 10 或 11，即 1024 或 2048 页，对应 4MB 或 8MB）。
• 返回值: 成功时返回指向第一个页的 struct page 描述符的指针，失败时返回 NULL。
• 注意: 返回的是 struct page 指针，而不是可直接访问的内核虚拟地址。需要使用 page_address() 将其转换为内核虚拟地址。
• struct page *alloc_page(gfp_t gfp_mask)
• 作用: alloc_pages(gfp_mask, 0) 的简写，即分配单个页。
• unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)

• 作用: 类似于 alloc_pages，但直接返回分配到的内存区域的内核虚拟地址。
• 返回值: 成功时返回分配内存的起始虚拟地址，失败时返回 0 (NULL)。
• unsigned long get_zeroed_page(gfp_t gfp_mask)
• 作用: 分配单个页并将其内容清零。等价于 __get_free_pages(gfp_mask | __GFP_ZERO, 0)。
• void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order)

• 作用: 释放由 __get_free_pages 或 get_zeroed_page 分配的 2^order 个页。
• addr: 要释放内存的起始虚拟地址。
• order: 分配时的阶数。
• void __free_pages(struct page *page, unsigned int order)

• 作用: 释放由 alloc_pages 分配的 2^order 个页。
• page: 指向第一个页的 struct page 描述符。
• order: 分配时的阶数。
• void put_page(struct page *page) 和 get_page(struct page *page)

• 作用: 管理 struct page 的引用计数。get_page 增加引用计数，put_page 减少引用计数。当引用计数降为零时，如果该页不再被其他地方使用（例如页缓存），它可能会被释放回页分配器。
• 注意: alloc_pages 返回的页引用计数为1，使用完毕后通常应使用 __free_pages 或对应的 put_page 逻辑（如果页被共享或缓存）。

3. vmalloc 家族 – 针对大块的虚拟连续内存

vmalloc 用于分配大块的、在虚拟地址空间中连续，但在物理地址空间中不必连续的内存。它通过逐页映射物理上不连续的页到虚拟地址空间来实现。

• void *vmalloc(unsigned long size)

• 作用: 分配 size 字节的虚拟连续内存。内存会被清零。
• size: 请求的字节数。会被向上舍入到页大小的整数倍。
• 返回值: 成功时返回指向分配内存的内核虚拟地址，失败时返回 NULL。
• 上下文: 必须在进程上下文调用，因为它可能睡眠。
• 性能: vmalloc 的开销比 kmalloc 大，因为它需要建立和维护页表映射。访问 vmalloc 分配的内存也可能比访问 kmalloc 分配的内存慢（因为物理不连续可能导致TLB miss增加）。
• void *vzalloc(unsigned long size)
• 作用: 等同于 vmalloc(size)，因为 vmalloc 默认就会清零。在较新内核中，vmalloc 内部可能调用 __vmalloc_node_flags 并传入 __GFP_ZERO。
• void *vmalloc_user(unsigned long size)
• 作用: 类似于 vmalloc，但分配的内存适合映射到用户空间。内存内容未定义（不会自动清零）。
• void *vmalloc_node(unsigned long size, int node, gfp_t gfp_mask)

• 作用: 在指定的 NUMA 节点 node 上分配虚拟连续内存。
• gfp_mask: 可以包含 __GFP_ZERO 来清零内存。
• void vfree(const void *addr)

• 作用: 释放由 vmalloc、vzalloc 或 vmalloc_node 分配的内存。
• addr: 要释放内存的起始虚拟地址。
• 使用场景:

• 当需要非常大的内存块（大于 kmalloc 的限制）时。
• 当不需要物理连续性，但需要虚拟地址连续性时（例如，内核模块加载时的某些部分）。
• 由于性能开销，应避免在性能敏感路径上频繁使用 vmalloc。

4. Per-CPU 变量 (每CPU变量)

Per-CPU 变量为系统中的每个 CPU 都提供一个独立的变量副本。这是一种避免锁和缓存争用的有效方法。

• 静态 Per-CPU 变量:

• DEFINE_PER_CPU(type, name): 定义一个静态的 Per-CPU 变量 name，类型为 type。
• DECLARE_PER_CPU(type, name): 在头文件中声明一个外部静态 Per-CPU 变量。
• 访问:

• get_cpu_var(name): 获取当前 CPU 的变量副本指针，并禁止抢占。
• put_cpu_var(name): 允许抢占，与 get_cpu_var 配对使用。
• this_cpu_ptr(per_cpu_var): 获取当前CPU的变量副本指针（不禁止抢占，需要调用者保证安全）。
• per_cpu(name, cpu_id): 获取指定 cpu_id 的变量副本（需要小心同步）。
• 动态 Per-CPU 变量:

• void __percpu *alloc_percpu(size_t size, size_t align): 动态分配 Per-CPU 数据区。返回一个特殊的 “percpu” 指针。
• void free_percpu(void __percpu *__pdata): 释放动态分配的 Per-CPU 数据。
• 访问:

• per_cpu_ptr(__pdata, cpu_id): 获取动态分配的 Per-CPU 数据在指定 cpu_id 上的指针。
• 通常与 get_cpu() 和 put_cpu() 结合使用来安全访问当前 CPU 的副本。
• 使用场景: 统计计数器、线程局部数据（内核态）、缓存等，以减少跨 CPU 同步。

5. 内存池 (mempool_t)

内存池用于预分配一定数量的内存对象，以确保在紧急情况下（如内存严重不足时）仍能分配到内存。常用于 I/O 操作，如块设备请求。

• mempool_t *mempool_create(int min_nr, mempool_alloc_t *alloc_fn, mempool_free_t *free_fn, void *pool_data)

• 作用: 创建一个内存池。
• min_nr: 池中保留的最小对象数量。
• alloc_fn: 自定义的分配函数，用于从池中分配对象（如果池为空，则尝试从系统分配）。
• free_fn: 自定义的释放函数。
• pool_data: 传递给 alloc_fn 和 free_fn 的私有数据。
• 内核也提供了基于 kmalloc 和 kmem_cache_alloc (slab缓存) 的通用内存池创建函数：

• mempool_create_kmalloc_pool(int min_nr, size_t size)
• mempool_create_slab_pool(int min_nr, struct kmem_cache *kc)
• void *mempool_alloc(mempool_t *pool, gfp_t gfp_mask)

• 作用: 从内存池中分配一个对象。如果池中有预分配的对象，则直接返回；否则，尝试使用 alloc_fn 分配。如果 gfp_mask 允许睡眠，且 alloc_fn 失败，可能会睡眠等待池中对象被释放。
• gfp_mask: 传递给底层分配函数的标志（如果需要分配新对象）。通常使用 GFP_NOIO 或 GFP_ATOMIC。
• void mempool_free(void *element, mempool_t *pool)
• 作用: 将对象 element 释放回内存池 pool。如果池中对象数量未达到 min_nr，则对象被保留在池中；否则，使用 free_fn 释放。
• void mempool_destroy(mempool_t *pool)
• 作用: 销毁内存池，释放所有预分配的对象。
• 使用场景: 必须保证分配成功的关键路径，如块设备 I/O 请求 (struct bio) 的分配。

6. DMA 内存分配

DMA (Direct Memory Access) 允许硬件设备直接读写主内存，而无需 CPU 干预。内核提供专门的 API 来分配适合 DMA 的内存区域。

• 一致性映射 (Coherent/Consistent Mappings): CPU 和设备对这块内存的视图是一致的，不需要显式的缓存同步操作。
• void *dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *dma_handle, gfp_t flag)

• 作用: 分配 size 字节的 DMA 内存，该内存对 CPU 和设备 dev 都是一致的。
• dev: 指向设备的 struct device。
• dma_handle: 输出参数，返回设备可用的总线地址 (物理地址)。
• flag: GFP_KERNEL 或 GFP_ATOMIC 等。
• 返回值: CPU 可用的内核虚拟地址，失败返回 NULL。
• void dma_free_coherent(struct device *dev, size_t size, void *cpu_addr, dma_addr_t dma_handle)
• 作用: 释放由 dma_alloc_coherent 分配的内存。参数必须与分配时一致。
• 流式映射 (Streaming Mappings): 用于临时的、单向的 DMA 传输。CPU 在传输前后可能需要显式同步缓存。
• dma_addr_t dma_map_single(struct device *dev, void *cpu_addr, size_t size, enum dma_data_direction dir)

• 作用: 将 cpu_addr 指向的、大小为 size 的已分配内存区域（如 kmalloc 分配的）映射给设备 dev 进行 DMA。
• dir: 数据传输方向 (DMA_TO_DEVICE, DMA_FROM_DEVICE, DMA_BIDIRECTIONAL)。这会影响缓存同步操作。
• 返回值: 设备可用的总线地址。
• void dma_unmap_single(struct device *dev, dma_addr_t dma_handle, size_t size, enum dma_data_direction dir)
• 作用: 取消 dma_map_single 创建的映射。

• dma_map_page(…), dma_unmap_page(…): 类似于 _single 版本，但操作对象是 struct page。
• dma_sync_single_for_cpu(…), dma_sync_single_for_device(…): 在流式映射中，用于在 CPU 访问前或设备访问前同步缓存。
• DMA 池 (dma_pool): 类似于 mempool，但用于分配小的、固定大小的、一致性的 DMA 内存块。

• struct dma_pool *dma_pool_create(const char *name, struct device *dev, size_t size, size_t align, size_t boundary)
• void *dma_pool_alloc(struct dma_pool *pool, gfp_t mem_flags, dma_addr_t *handle)
• void dma_pool_free(struct dma_pool *pool, void *vaddr, dma_addr_t addr)
• void dma_pool_destroy(struct dma_pool *pool)
• 使用场景: 设备驱动程序中，当硬件需要直接访问内存时（例如网卡的数据包缓冲区、存储控制器的命令块）。

二、内存区域 (Memory Zones)

内核将物理内存划分为不同的区域，GFP_ 标志中的某些位（如 __GFP_DMA, __GFP_HIGHMEM）会影响从哪个区域分配内存。

• ZONE_DMA: 包含可以直接进行 DMA 操作的内存页。通常是物理内存的低端部分（例如，ISA设备只能访问前16MB）。
• ZONE_DMA32: 在64位系统上，用于32位设备可以进行 DMA 的内存区域（通常是物理内存的前4GB）。
• ZONE_NORMAL: 内核常规使用的内存区域，直接映射到内核虚拟地址空间。在32位系统上，这部分内存有限（例如，低于896MB的“低端内存”）。在64位系统上，大部分物理内存都属于 ZONE_NORMAL。
• ZONE_HIGHMEM (仅32位系统): 高端内存。物理内存中超出内核直接映射范围的部分（例如，32位系统上超过约896MB的部分）。访问高端内存页需要显式映射/取消映射到内核地址空间 (kmap/kunmap)。kmalloc 通常不分配高端内存。alloc_pages 可以。
• ZONE_MOVABLE: 用于可移动页的区域，有助于减少内存碎片，主要供用户空间使用。

三、选择内存申请接口的关键考虑因素

1. 分配大小:

• 小块 (几十字节到几KB): kmalloc 家族。
• 页整数倍 (4KB 到几 MB): alloc_pages 家族。
• 大块 (几MB以上，不需要物理连续): vmalloc 家族。

2. 物理连续性:

• 需要物理连续: kmalloc, alloc_pages。
• 不需要物理连续 (虚拟连续即可): vmalloc。

3. 分配上下文:

• 进程上下文 (可睡眠): GFP_KERNEL (用于 kmalloc, alloc_pages)，vmalloc。
• 中断/原子上下文 (不可睡眠): GFP_ATOMIC (用于 kmalloc, alloc_pages)。

4. 生命周期和用途:

• 通用内核数据: kmalloc。
• 需要保证分配成功: mempool。
• 硬件DMA: DMA分配API。
• 每CPU数据: Per-CPU API。

5. 是否需要清零:

• 是: kzalloc, kcalloc, get_zeroed_page, vzalloc (或 vmalloc)，或使用 __GFP_ZERO 标志。

6. 性能:

• kmalloc 和页分配器通常较快。
• vmalloc 开销较大。

7. 错误处理:

• 所有分配函数都可能失败！ 必须总是检查返回值 (NULL 或 0) 并妥善处理错误。