[Linux内核驱动]内存动态申请

内核空间内存动态申请

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kmalloc()

函数原型：

void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);

参数说明：

• size：要分配的内存块的大小，以字节为单位。
• flags：分配标志，用于指定内存分配的策略和属性。
  • GFP_KERNEL：在内核空间的进程中分配内存
  • GFP_ATOMIC：在原子上下文中分配内存

kmalloc()的底层依赖于__get_free_page()来实现，当使用 GFP_KERNEL 申请内存时，若暂时不能满足，则进程会睡眠等待页，引起阻塞，因此不能在 中断上下文 或持有 自选锁 的时候使用GFP_KERNEL申请内存。对于这些在非进程上下文中不能阻塞的情况，应当使用GFP_ATOMIC申请内存，若不存在空闲页，则不等待，直接返回。

和kmalloc()类似，kzalloc() 函数也用于分配内存，区别在于kzalloc()函数会在分配的内存块中清零。

kmalloc()和kzalloc()申请的内存都使用 kfree() 函数释放

__get_free_pages()

__get_free_pages()系列函数/宏本质上是Linux内核最底层用户获取空闲内存的方法。因为底层的buddy算法以2^{n页的方式管理内存，所以底层申请内存是以2}n页为单位。n最大为10或11

• __get_free_pages(gfp_mask, int order)：分配2^order页的内存。
• __get_free_page(gfp_mask)：分配一个页（4KB）的内存。
  • 这个宏实际上就是调用__get_free_pages分配1页内存
• get_zeroed_page(gfp_mask)：分配并清零一个页的内存。

在可能阻塞的上下文中（如进程上下文），应使用允许阻塞的标志（GFP_KERNEL）。在不允许阻塞的上下文中（如中断上下文或持有自旋锁时），应使用不允许阻塞的标志（GFP_ATOMIC或GFP_NOWAIT）。

上面的申请的内存使用free_page(addr)或free_pages(addr, order)释放。

vmalloc()

vmalloc()函数用于在内核中分配大的、连续的虚拟地址空间，但物理地址可能不连续。这通常用于需要连续虚拟地址但不需要物理连续性的情况，如大型数据结构或设备驱动程序的缓冲区。vmalloc()需要建立新的页表项，所以其开销很大。此外，vmalloc()不能应用在原子上下文中，因为其内部实现使用了GFP_KERNEL标志的kmalloc()。

函数原型：

void *vmalloc(unsigned long size);
void vfree(void *addr);

slab分配器

在Linux中，伙伴分配器（buddy allocator）是以页为单位管理和分配内存。但在内核中的需求，一方面，完全使用页为单位申请内存严重浪费内存;另一方面，Linux运行过程中经常会涉及到大量重复对象的重复生成、使用和释放内存问题（task_struct、inode等）。

为了解决这个问题，Linux内核引入了slab分配器。slab分配器以字节为单位，从 Buddy 分配器中申请内存，之后对申请来的内存细分管理。

struct kmem_cache

struct kmem_cache：这是Slab分配器的一部分，它提供了一种用于快速分配和释放固定大小内存块的机制。Slab分配器为每种大小的对象维护一个缓存池，从而提高了内存分配的效率。

kmem_cache_create()

创建一个新的kmem_cache实例。

函数原型：

struct kmem_cache *kmem_cache_create(const char *name, size_t size, size_t align, unsigned long flags, void (*ctor)(void *));

参数说明:

• name: 缓存的名称，用于调试和日志记录。
• size: 缓存中每个对象的大小（以字节为单位）。
• align: 每个对象的对齐要求（通常设置为0，让slab分配器选择最佳的对齐）。
• flags: 标志位，用于控制缓存的行为
  • SLAB_HWCACHE_ALIGN：表示对象应该按硬件缓存行对齐，即对齐到一个缓存行
  • SLAB_RECLAIM_DMA：表示在DMA区域中分配
• ctor: 构造函数（可选），当从缓存中分配对象时，此函数将被调用以初始化对象。

返回值:

• 成功时返回一个指向新创建的 kmem_cache 结构体的指针。
• 失败时返回 NULL。

kmem_cache_alloc()

从指定的kmem_cache中分配内存

函数原型:

c
void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags);

参数说明:

• cachep: 之前通过 kmem_cache_create() 创建的 kmem_cache 结构体的指针。
• flags: GFP（Get Free Pages）标志，用于控制内存分配的行为。

返回值:

• 成功时返回一个指向新分配对象的指针。
• 失败时（例如，由于内存不足）返回 NULL。

kmem_cache_free()

释放kmem_cache_alloc申请的内存

函数原型:

void kmem_cache_free(struct kmem_cache *cachep, void *objp);

参数说明:

• cachep: 与对象关联的 kmem_cache 结构体的指针。
• objp: 要释放的对象的指针。

kmem_cache_destroy()

销毁一个kmem_cache实例。

函数原型:

void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *cachep);

代码

#include <linux/module.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/gfp.h>
#include <linux/vmalloc.h>struct mem_dev
{char* test;struct kmem_cache* cache;
};struct mem_dev* mem_devp;static int __init mem_dev_init_module(void)
{printk(KERN_INFO "mem_init\n");mem_devp = kmalloc(sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);// kmallocmem_devp->test = kmalloc(1024, GFP_KERNEL);if (!mem_devp->test){return -ENOMEM;}printk(KERN_INFO "kmalloc get addr %p\n", mem_devp->test);kfree(mem_devp->test);// __get_free_pagemem_devp->test = (void*)__get_free_page(GFP_KERNEL);if (!mem_devp->test){return -ENOMEM;}printk(KERN_INFO "__get_free_page get addr %p\n", mem_devp->test);free_page((unsigned long)mem_devp->test);// vmallocmem_devp->test = vmalloc(PAGE_SIZE * 16);if (!mem_devp->test){return -ENOMEM;}printk(KERN_INFO "vmalloc get addr %p\n", mem_devp->test);vfree(mem_devp->test);// slabmem_devp->cache = kmem_cache_create("mem_cache", sizeof(struct mem_dev), 0, SLAB_HWCACHE_ALIGN, NULL);if (!mem_devp->cache){return -ENOMEM;}mem_devp->test = kmem_cache_alloc(mem_devp->cache, GFP_KERNEL);if (!mem_devp->test){return -ENOMEM;}printk(KERN_INFO "slab get addr %p\n", mem_devp->test);kmem_cache_free(mem_devp->cache, mem_devp->test);kmem_cache_destroy(mem_devp->cache);kfree(mem_devp);return 0;
}static void mem_dev_exit_module(void)
{printk(KERN_INFO "mem_dev exit\n");
}module_init(mem_dev_init_module);
module_exit(mem_dev_exit_module);MODULE_AUTHOR("lidonghang-02");
MODULE_LICENSE("GPL");