中移（苏州）软件技术有限公司面试问题与解答（7）—— kmalloc与vmalloc的区别与联系及使用场景

接前一篇文章：中移（苏州）软件技术有限公司面试问题与解答（0）—— 面试感悟与问题记录

本文参考以下文章：

kmalloc与vmalloc如何选择

Vmalloc与kmalloc的区别

特此致谢！

本文对于中移（苏州）软件技术有限公司面试问题中的“（6）vmalloc和kmalloc的区别？什么时候会用kmalloc、什么时候用vmalloc？”进行解答与解析。

1. kmalloc和vmalloc的区别

先来回答kmalloc和vmalloc的相同点和不同点：

• 相同点

kmalloc和vmalloc都是Linux内核中用于内存分配的函数。

• 不同点

1）kmalloc保证分配的内存在物理上是连续的，vmalloc保证的是在虚拟地址空间上的连续。也就是说kmalloc函数分配的内存，虚拟地址连续、物理地址也连续；而vmalloc函数分配的内存，虚拟地址连续、物理地址并不连续。通过页表来建立物理内存与虚拟内存之间的关系，从而可以将不连续的物理内存映射到连续的虚拟内存。

2）kmalloc能分配的大小有限，vmalloc能分配的大小相对较大。kmalloc函数用于在内核空间中分配小块（通常小于一个页面大小）的连续内存区域，这些内存区域可以用于存储内核数据结构和缓冲区等；vmalloc函数用于在内核空间中分配大块的虚拟内存区域，通常用于存储大型缓冲区和内存映射文件等。

3）kmalloc函数分配速度较快，vmalloc比kmalloc函数要慢。kmalloc分配的物理地址与虚拟地址只有一个__PAGE_OFFSET（即TASK_SIZE）偏移，不需要为地址段修改页表；vmalloc函数获得的物理内存是不连续的，因此它只能将这些物理内存页一个一个地进行映射。因此，在性能开销上会比直接映射大得多。

4）kmallloc使用的是slab内存分配机制，而vmalloc使用的是伙伴系统分配机制，这也是造成它们区别的根本所在

5）kmalloc可用于原子上下文，而vmalloc不可以。vmalloc函数中调用了kmalloc（GFP_KERNEL），因此也不能应用于原子上下文。

2. 什么时候用kmalloc、什么时候用vmalloc

由上边kmalloc和vmalloc的特点可知，它们适用于不同的内存分配场景。在Linux内核编程中，需要根据具体的内存分配需求选择适合的函数。

• kmalloc的使用场景

如果需要分配小块连续内存，可以使用kmalloc函数。

• vmalloc的使用场景

如果需要分配大块非连续虚拟内存，则需要使用vmalloc函数。vmalloc使用的正确场合是分配一大块、（虚拟地址）连续的，只在软件中存在的、用于缓冲的内存区域，不能在微处理器之外使用。

关于kmalloc和vmalloc的正确使用方法在Linux内核源码/Documentation/translations/zh_CN\core-api/memory-allocation.rst中做了详细说明，内容如下：

选择内存分配器

==============

分配内存的最直接的方法是使用kmalloc()系列的函数。而且，为了安全起见，最好使用将内存设置为零的例程，如kzalloc()。如果你需要为一个数组分配内存，有kmalloc_array()和kcalloc()辅助程序。辅助程序struct_size()、array_size()和array3_size()可以用来安全地计算对象的大小而不会溢出。

可以用 `kmalloc` 分配的块的最大尺寸是有限的。实际的限制取决于硬件和内核配置，但是对于小于页面大小的对象，使用 `kmalloc` 是一个好的做法。

用 `kmalloc` 分配的块的地址至少要对齐到ARCH_KMALLOC_MINALIGN字节。对于2的幂的大小，

对齐方式也被保证为至少是各自的大小。

用kmalloc()分配的块可以用krealloc()调整大小。与kmalloc_array()类似：以krealloc_array()

的形式提供了一个用于调整数组大小的辅助工具。

对于大量的分配，你可以使用vmalloc()和vzalloc()，或者直接向页面分配器请求页面。由vmalloc和相关函数分配的内存在物理上是不连续的。

如果你不确定分配的大小对 `kmalloc` 来说是否太大，可以使用kvmalloc()及其派生函数。它将尝试用kmalloc分配内存，如果分配失败，将用 `vmalloc` 重新尝试。对于哪些GFP标志可以与 `kvmalloc`一起使用是有限制的；请看kvmalloc_node()参考文档。注意， `kvmalloc` 可能会返回物理上不连续的内存。

如果你需要分配许多相同的对象，你可以使用slab缓存分配器。在使用缓存之前，应该用

kmem_cache_create()或kmem_cache_create_usercopy()来设置缓存。如果缓存的一部分可能被复制到用户空间，应该使用第二个函数。在缓存被创建后，kmem_cache_alloc()和它的封装可以从该缓存中分配内存。

当分配的内存不再需要时，它必须被释放。你可以使用kvfree()来处理用 `kmalloc` 、 `vmalloc`和 `kvmalloc` 分配的内存。slab缓存应该用kmem_cache_free()来释放。不要忘记用kmem_cache_destroy()来销毁缓存。

3. 函数源码

• kmalloc函数源码

kmalloc函数在include/linux/slab.h中，代码如下：

/*** kmalloc - allocate kernel memory* @size: how many bytes of memory are required.* @flags: describe the allocation context** kmalloc is the normal method of allocating memory* for objects smaller than page size in the kernel.** The allocated object address is aligned to at least ARCH_KMALLOC_MINALIGN* bytes. For @size of power of two bytes, the alignment is also guaranteed* to be at least to the size.** The @flags argument may be one of the GFP flags defined at* include/linux/gfp_types.h and described at* :ref:`Documentation/core-api/mm-api.rst <mm-api-gfp-flags>`** The recommended usage of the @flags is described at* :ref:`Documentation/core-api/memory-allocation.rst <memory_allocation>`** Below is a brief outline of the most useful GFP flags** %GFP_KERNEL*	Allocate normal kernel ram. May sleep.** %GFP_NOWAIT*	Allocation will not sleep.** %GFP_ATOMIC*	Allocation will not sleep.  May use emergency pools.** Also it is possible to set different flags by OR'ing* in one or more of the following additional @flags:** %__GFP_ZERO*	Zero the allocated memory before returning. Also see kzalloc().** %__GFP_HIGH*	This allocation has high priority and may use emergency pools.** %__GFP_NOFAIL*	Indicate that this allocation is in no way allowed to fail*	(think twice before using).** %__GFP_NORETRY*	If memory is not immediately available,*	then give up at once.** %__GFP_NOWARN*	If allocation fails, don't issue any warnings.** %__GFP_RETRY_MAYFAIL*	Try really hard to succeed the allocation but fail*	eventually.*/
static __always_inline __alloc_size(1) void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags)
{if (__builtin_constant_p(size) && size) {unsigned int index;if (size > KMALLOC_MAX_CACHE_SIZE)return kmalloc_large(size, flags);index = kmalloc_index(size);return kmalloc_trace(kmalloc_caches[kmalloc_type(flags, _RET_IP_)][index],flags, size);}return __kmalloc(size, flags);
}

• vmalloc函数源码

vmalloc函数在mm/vmalloc.c中，代码如下：

/*** 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.** For tight control over page level allocator and protection flags* use __vmalloc() instead.** Return: pointer to the allocated memory or %NULL on error*/
void *vmalloc(unsigned long size)
{return __vmalloc_node(size, 1, GFP_KERNEL, NUMA_NO_NODE,__builtin_return_address(0));
}
EXPORT_SYMBOL(vmalloc);

至此， 中移（苏州）软件技术有限公司面试问题中的“（6）vmalloc和kmalloc的区别？什么时候会用kmalloc、什么时候用vmalloc？”就回答并解析完毕了。