Linux内核与驱动面试经典“小”问题集锦（4）

接前一篇文章：Linux内核与驱动面试经典“小”问题集锦（3）

问题5

问：Linux内核中内存分配都有哪些方式？它们之间的使用场景都是什么？

备注：这个问题是笔者近期参加蔚来面试时遇到的一个问题。这道题说是一道小题，其实应该是一道大题，它考察的是候选者对于Linux内存管理子系统中内存分配这一块的功力深浅。

答：

在Linux内核空间中，申请内存所涉及的函数主要包括kmalloc()、__get_free_pages()和vmalloc()等。其中，kmalloc()和__get_free_pages()（及其类似函数）申请的内存位于DMA和常规区域的映射区，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，因此存在较简单的转换关系；而vmalloc()在虚拟内存空间给出一块连续的内存区。实质上，这片连续的虚拟内存在物理内存中并不一定连续，而vmalloc()申请的虚拟内存和物理内存之间也没有简单的换算关系。

1. kmalloc()

kmalloc函数在include/linux/slab.h中，代码如下：

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);
}

kmalloc函数的第一个参数是要分配的块的大小；第二个参数为分配标志，用于控制kmalloc()的行为。

最常用的分配标志是GFP_KERNEL，其含义是在内核空间的进程中申请内存。kmalloc()的底层依赖于__get_free_pages()来实现，分配标志的前缀GFP正好是这个底层函数的缩写。使用GFP_KERNEL标志申请内存时，若暂时不能满足，则进程会休眠等待页，即会引起阻塞，因此不能在中断上下文或持有自旋锁的时候使用GFP_KERNEL申请内存。

备注：这也是经常会被问到的一道经典面试题，即GFP_KERNEL能否用在中断中？或者中断中应该使用哪些标志？

由于在中断处理函数、tasklet和内核定时器等非进程上下文中不能阻塞，所以此时驱动应当使用GFP_ATOMIC标志来申请内存。当使用GFP_ATOMIC标志申请内存时，若不存在空闲页，则不等待，直接返回。

其它的申请标志还包括：

• GFP_USER：用来为用户空间页分配内存，可能阻塞。
• GFP_HIGHUSER：类似于GFP_USER，但它从高端内存分配。
• GFP_DMA：从DMA区域分配内存，
• GFP_NOIO：不允许任何I/O初始化。
• GFP_NOFS：不允许任何文件系统调用。
• __GFP_HIGHMEM：指示分配的内存可以位于高端内存。
• __GFP_COLD：请求一个较长时间不访问的页。
• __GFP_NOWARN：当一个分配无法满足时，阻止内核发出警告。
• __GFP_HIGH：高优先级请求，允许获得被内核保留给紧急情况使用的最后的内存页。
• __GFP_REPEAT：分配失败，则尽力重复尝试。
• __GFP_NOFAIL：只许申请成功，不许失败。不推荐使用此标志。
• __GFP_NORETRY：若申请不到，则立即放弃。

使用kmalloc()申请的内存应该使用kfree()释放，这个函数的用法和用户空间的free()类似。

2. __get_free_pages()

__get_free_pages()系列函数/宏本质上是Linux内核最底层用于获取空闲内存的方法，因为底层的buddy（伙伴）算法以2^n页为单位管理空闲内存，因此最底层的内存申请总是以2^n页为单位的。

__get_free_pages()系列函数/宏包括get_zeroed_page()、__get_free_page()和__get_free_pages()。

• get_zeroed_page()

该函数返回一个指向新页的指针，并且将该页清零。其在mm/page_alloc.c中，代码如下：

unsigned long get_zeroed_page(gfp_t gfp_mask)
{return __get_free_page(gfp_mask | __GFP_ZERO);
}
EXPORT_SYMBOL(get_zeroed_page);

• __get_free_page();

该宏返回一个指向新页的指针，但该页不清零。其定义在include/linux/gfp.h中，如下：是：

#define __get_free_page(gfp_mask) \__get_free_pages((gfp_mask), 0)

它实际上就是调用了下边的__get_free_pages()申请一页。

• __get_free_pages()

__get_free_pages()也是在mm/page_alloc.c中，代码如下：

/** Common helper functions. Never use with __GFP_HIGHMEM because the returned* address cannot represent highmem pages. Use alloc_pages and then kmap if* you need to access high mem.*/
unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)
{struct page *page;page = alloc_pages(gfp_mask & ~__GFP_HIGHMEM, order);if (!page)return 0;return (unsigned long) page_address(page);
}
EXPORT_SYMBOL(__get_free_pages);

该函数可分配多个页，并返回所分配内存的首地址。分配的页数为2^order，分配的页不清零。oeder允许的最大值是10（1024页）或者11（2048页），这取决于具体的硬件平台。

__get_free_pages()和get_zeroed_page()在实现中调用了alloc_pages函数，alloc_pages()既可以在内核空间分配，也可以在用户空间分配。该函数也在mm/page_alloc.c中，其原型如下：

struct page *__alloc_pages(gfp_t gfp, unsigned int order, int preferred_nid,nodemask_t *nodemask);

其参数含义与__get_free_pages()相似，但它返回分配的第一个页的描述符而非首地址。

3. vmalloc

vmalloc()一般只为存在于软件中（没有对应的硬件意义）的较大的顺序缓冲区分配内存。vmalloc()远大于__get_free_pages()的开销。为了完成vmalloc()，新的页表项需要被建立。因此，只是调用vmalloc()来分配少量的内存（如1页以内的内存）是不妥的。

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);

vmalloc函数在申请内存时，会进行内存的映射，改变页表项，而不像kmalloc()实际用的是开机过程中就映射好了的DMA和常规区域的页表项。因此，vmalloc()的虚拟地址和物理地址不是一个简单的线性映射。

vmalloc函数不能用在原子上下文中，因为其内部实现使用了标志位GFP_KERNEL的kmalloc()。

这里多说一点。关于kmalloc与vmalloc的区别，参见笔者的这篇文章：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。

以上是从具体的内存分配函数的角度来说的。从更大的层面来讲，Linux内核物理内存分配的一般方式包括：

（1）伙伴系统（Buddy System）

伙伴系统将物理内存划分为不同大小的块，每个块大小都是2的幂次。这些块被组织成“伙伴”对，每对伙伴的大小是一样的。

（2）slab分配器

slab分配器用于管理小块内存分配，如内核数据结构的分配。slab分配器将内存划分为不同的对象缓存，以提高内存分配和释放的效率。

（3）CMA（Contiguous Memory Allocator，连续内存分配器）

对于需要连续大块内存的需求，Linux引入了CMA。它可以用于分配连续的物理内存区域，如视频缓冲等。

（4）页分配器

Linux内核将物理内存划分为固定大小的页，通常是4KB。当进程需要内存时，内核会使用页分配器来分配这些页面。

（5）内存回收

Linux内核还会定期执行内存回收，以回收未使用的内存。这包括清除不再使用的页面，并将其返回到内存池中。

可见，本题虽然看似是一道面试小题，但实际上其背后蕴含的知识点是非常丰富的，也是非常考验功力的。

参考资料：

《Linux设备驱动开发详解 —— 基于最新的Linux 4.0内核》 宋宝华 编著，机械工业出版社