Linux驅動中的記憶體申請技術：原理與方法

記憶體是Linux系統中最重要的資源之一，它可以用來儲存數據，程式碼，堆疊等。記憶體的申請和釋放是Linux驅動開發中最基本的操作之一，它涉及核心空間和用戶空間，靜態分配和動態分配，連續記憶體和非連續記憶體等概念。在本文中，我們將介紹Linux驅動程式中的記憶體申請技術，包括kmalloc，vmalloc，get_free_pages，dma_alloc_coherent等函數，並舉例說明它們的使用方法和注意事項。

#先上基礎，下圖是Linux的記憶體映射模型

1. 每一個行程都有自己的行程空間，行程空間的0-3G是用戶空間，3G-4G是核心空間
2. 每個行程的使用者空間不在同一個實體記憶體頁，但是所有的行程的核心空間對應同樣的實體位址
3. vmalloc分配的位址可以高階內存，也可以是低階記憶體
4. 0-896MB的物理位址是線性映射到物理映射區的。

「

」

記憶體動態申請

#和應用層一樣，內核程式也需要動態的分配內存，不同的是，內核進程可以控制分配的內存是在用戶空間還是內核空間，前者可以用於給用戶空間的堆區分配內存，eg ，用戶進程的用戶空間的malloc最終就會透過系統呼叫回調內核空間的記憶體分配函數，此時該記憶體分配函數就屬於該用戶進程，可以給在該用戶進程的堆區分配空間並返回，最終使得一個用會進程在自己的用戶空間獲得記憶體分配;後者只在核心空間分配，所以用戶進程不能直接存取該空間，所以多用在滿足內核程式自身的記憶體需求，下面是Linux內核空間申請記憶體常用API ：

kmalloc – kfree

kmalloc申請的內存在物理記憶體上是連續的，他們與真實的物理位址只有一個固定的偏移，因此存在簡單的轉換關係。這個API 多用來申請不到一個page大小的記憶體。 kmalloc的底層需要呼叫**__get_free_pages，參數中表示記憶體類型的gtp_t flags正是這個函數的縮寫，常用的記憶體類型有GFP_USER,GFP_KERNEL,GFP_ATOMIC**幾種。

• GFP_USER表示為使用者空間頁分配內存，可以阻塞;
• GFP_KERNEL是最常用的flag，注意，使用這個flag來申請記憶體時，如果暫時不能滿足，會造成進程阻塞，So，一定不要中斷處理函數，tasklet和核心定時器等非進程上下文中使用GFP_KERNEL！ ！ ！
• #GFP_ATOMIC就可以用於上述三種情境,這個flag表示如果申請的記憶體不能用，則立即回傳。

/**
 * kmalloc - allocate memory
 * @size: how many bytes of memory are required.
 * @flags: the type of memory to allocate.
 * The @flags argument may be one of:
 * %GFP_USER - Allocate memory on behalf of user.  May sleep.
 * %GFP_KERNEL - Allocate normal kernel ram.  May sleep.
 * %GFP_ATOMIC - Allocation will not sleep.  May use emergency pools.
 * 
 * For example, use this inside interrupt handlers.
 */
void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);
/**
 * kfree - free previously allocated memory
 * @objp: pointer returned by kmalloc.
 * If @objp is NULL, no operation is performed.
 */
void kfree(const void *objp);

同系列API還有

void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags)    

__get_free_pages – free_pages

#__get_free_pages()與kmalloc()一樣是物理連續的內存，這一系列函數是Linux內核中最底層的用於獲取空閒內存的方法，因為底層的buddy演算法都是以**(2^n )×PAGE_SIZE來管理記憶體的，所以他們總是以頁為單位分配記憶體**的

unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)  
void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order)  

同系列API還有

unsigned long __get_free_page(gfp_t gfp)        
unsigned long get_zeroed_page(gfp_t gfp_mask)    
struct page *alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)
void free_page(unsigned long addr)  

vmalloc – vfree

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，所以vmalloc申请的虚拟内存和物理内存之间也就没有简单的换算关系，正因如此，vmalloc()通常用于分配远大于__get_free_pages()的内存空间，它的实现需要建立新的页表，此外还会调用使用GFP_KERN的kmalloc，so，一定不要在中断处理函数，tasklet和内核定时器等非进程上下文中使用vmalloc！

/**     
 * 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.
 */
void *vmalloc(unsigned long size)   

/**
 *      vfree  -  release memory allocated by vmalloc()
 *      @addr:          memory base address
 */
void vfree(const void *addr)  

同系列的API还有

/**
 * vmalloc_32  -  allocate virtually contiguous memory (32bit addressable)
 * @size:          allocation size
 * Allocate enough 32bit PA addressable pages to cover @size from the 
page level allocator and map them into contiguous kernel virtual space.
 */
void *vmalloc_32(unsigned long size) 

slab缓存

我们知道，页是内存映射的基本单位，但内核中很多频繁创建的对象所需内存都不到一页，此时如果仍然按照页映射的方式，频繁的进行分配和释放就会造成资源的浪费，同时也会降低系统性能。为了解决的这样的问题，内核引入了slab机制，使对象在前后两次被使用时被分配在同一块内存或同一类内存空间，且保留了基本的数据结构，就可以大大提高效率。kmalloc的底层即是使用slab算法管理分配的内存的。注意，slab依然是以页为单位进行映射，只是映射之后分割这些页为相同的更小的单元，从而节省了内存。slab分配的单元不能小于32B或大于128K。

/**
 * kmem_cache_create - 创建slab缓存对象
 * @name:slab缓存区名字，
 * @size:slab分配的缓存区的每一个单元的大小
 * @align:缓存区内存的对齐方式，一般给0
 * @flags:控制分配的位掩码，
 * %SLAB_POISON - Poison the slab with a known test pattern (a5a5a5a5) to catch references 
to uninitialised memory.
 * %SLAB_RED_ZONE - Insert `Red' zones around the allocated memory to check for buffer 
overruns.
 * %SLAB_HWCACHE_ALIGN - Align the objects in this cache to a hardware cacheline.  
This can be beneficial if you're counting cycles as closely as davem.
 * %SLAB_CACHE_DMA - Use GFP_DMA memory
 * %SLAB_STORE_USER - Store the last owner for bug hunting
 *define SLAB_PANIC - Panic if kmem_cache_create() fails 
 */
struct kmem_cache *kmem_cache_create(const char *name, size_t size,
 size_t align,unsigned long flags, void (*ctor)(void *))


/**
 * kmem_cache_alloc - Allocate an object from this cache. 
 * @cachep: The cache to allocate from.
 * @flags: See kmalloc().
 * The flags are only relevant if the cache has no available objects.
 */
void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags)  


/**
 * kmem_cache_free - Deallocate an object
 * @cachep: The cache the allocation was from.
 * @objp: The previously allocated object.
 * Free an object which was previously allocated from this cache.
 */
void kmem_cache_free(struct kmem_cache *cachep, void *objp)  


void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *s)  

范例

//创建slab对象
struct kmem_cache_t *xj_sbcache;
xj_sbcache = kmem_cache_create("xjslab",sizeof(struct xj_unit_t),0,SLAB_CACHE_DMA|SLAB_PANIC，NULL,NULL);

//分配slab缓存
struct xj_unit_t *xj_unit;
xj_unit = kmem_cache_alloc(xj_sbcache,GFP_KERNEL);

/* 使用slab缓存 */

/* 释放slab缓存 */
kmem_cache_free(xj_sbcache, xj_unit);

/* 销毁slab缓存 */
kmem_cache_destroy(xj_sbcache);

内存池

除了slab机制，内核还提供了传统的内存池机制来管理小块内存的分配。内存池主要是用来解决可能出现的内存不足的情况，因为一个内存池在创建的时候就已经分配好了一内存，当我们用mempool_alloc向一个已经创建好的内存池申请申请内存时，该函数首先会尝试回调内存池创建时的分配内存函数，如果已经没有内存可以分配，他就会使用内存池创建时预先分配的内存，这样就可以避免因为无内存分配而陷入休眠，当然，如果预分配的内存也已经使用完毕，还是会陷入休眠。slab机制的目的是提高内存使用率以及内存管理效率，内存池的目的是避免内存的分配失败。下面是内核中提供的关于内存池的API

/**     
 * mempool_create - create a memory pool
 * @min_nr:    the minimum number of elements guaranteed to be  allocated for this pool.
 * @alloc_fn:  user-defined element-allocation function.
 * @free_fn:   user-defined element-freeing function.
 * @pool_data: optional private data available to the user-defined functions.
 *              
 * this function creates and allocates a guaranteed size, preallocated memory pool. 
The pool can be used from the mempool_alloc() and mempool_free() functions. 
 * This function might sleep. Both the alloc_fn() and the free_fn() functions
 might sleep - as long as the mempool_alloc() function is not called from IRQ contexts.
 */
mempool_t *mempool_create(int min_nr, mempool_alloc_t *alloc_fn, mempool_free_t 
*free_fn, void *pool_data)

/**     
 * mempool_alloc - allocate an element from a specific memory pool
 * @pool:      pointer to the memory pool which was allocated via mempool_create().
 * @gfp_mask:  the usual allocation bitmask.
 * this function only sleeps if the alloc_fn() function sleeps or returns NULL.
 Note that due to preallocation, this function never* fails when called from process
 contexts. (it might fail if called from an IRQ context.)
 */     
void * mempool_alloc(mempool_t *pool, gfp_t gfp_mask)    

/**
 * mempool_free - return an element to the pool.
 * @element:   pool element pointer.
 * @pool:      pointer to the memory pool which was allocated via mempool_create().
 *
 * this function only sleeps if the free_fn() function sleeps.
 */     
void mempool_free(void *element, mempool_t *pool)    

/**
 * mempool_destroy - deallocate a memory pool
 * @pool:      pointer to the memory pool which was allocated via mempool_create().
 *
 * Free all reserved elements in @pool and @pool itself. 
 This function only sleeps if the free_fn() function sleeps.
 */     
void mempool_destroy(mempool_t *pool)  

通过本文，我们了解了Linux驱动中的内存申请技术，它们各有优缺点和适用场景。我们应该根据实际需求选择合适的函数，并遵循一些基本原则，如匹配申请和释放函数，检查返回值是否为空，避免内存泄漏等。内存申请技术是Linux驱动开发中不可或缺的一部分，它可以保证驱动程序的正常运行和数据交换，也可以提升驱动程序的性能和稳定性。希望本文能够对你有所帮助和启发。

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