kmalloc/kzalloc/vmalloc/malloc和get_free_page的区别

Posted 2022-12-12 yxtxiaotian

目录

1. 简述

2. linux内存分布图：​

2.1 kmalloc

2.1.1 kmalloc和get_free_page申请内存方式

2.1.2 kmalloc的用法

3、kzalloc

4、vmalloc

5、kmalloc、get_free_page和vmalloc的区别：

6、用户空间申请内存malloc

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1. 简述

1. kmalloc申请的是较小的连续的物理内存，虚拟地址上也是连续的。kmalloc和get_free_page最终调用实现是相同的，只不过在调用最终函数时所传的flag不同而已。除非被阻塞否则他执行的速度非常快，而且不对获得空间清零。
2. get_free_page()申请的内存是一整页，一页的大小一般是128K。
3. kzalloc 先是用 kmalloc() 申请空间 , 然后用 memset() 清零来初始化 ,所有申请的元素都被初始化为 0.
4. vmalloc用于申请较大的内存空间，虚拟内存是连续，但是在物理上它们不要求连续。
5. malloc 用于用户空间申请内存。除非被阻塞否则他执行的速度非常快，而且不对获得空间清零。

2. linux内存分布图：

对于提供了MMU（存储管理器，辅助操作系统进行内存管理，提供虚实地址转换等硬件支持）的处理器而言（MMU相关介绍参见博文 S3C2440的内存管理单元MMU学习笔记），Linux提供了复杂的存储管理系统，使得进程所能访问的内存达到4GB。进程的4GB内存空间被人为的分为两个部分--用户空间与内核空间。用户空间地址分布从0到3GB(PAGE_OFFSET，在0x86中它等于0xC0000000)，3GB到4GB为内核空间。

内核空间中，从3G到vmalloc_start这段地址是物理内存映射区域（该区域中包含了内核镜像、物理页框表mem_map等等），比如我们使用 的 VMware虚拟系统内存是160M，那么3G～3G+160M这片内存就应该映射物理内存。在物理内存映射区之后，就是vmalloc区域。对于 160M的系统而言，vmalloc_start位置应在3G+160M附近（在物理内存映射区与vmalloc_start期间还存在一个8M的gap 来防止跃界），vmalloc_end的位置接近4G(最后位置系统会保留一片128k大小的区域用于专用页面映射)

2.1 kmalloc

2.1.1 kmalloc和get_free_page申请内存方式

kmalloc申请的是较小的连续的物理内存，内存物理地址上连续，虚拟地址上也是连续的，使用的是内存分配器slab（SLAB内存分配器参见博文 https://www.aliyun.com/jiaocheng/126597.html ， https://www.cnblogs.com/tolimit/p/4566189.html）的一小片。申请的内存位于物理内存的映射区域。其真正的物理地址只相差一个固定的偏移。get_free_page()申请的内存是一整页，一页的大小一般是128K。

从本质上讲，kmalloc和get_free_page最终调用实现是相同的，只不过在调用最终函数时所传的flag不同而已。kmalloc和get_free_page申请的内存位于物理内存映射区域，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。可以用两个宏来简单转换：

__pa(address)  virt_to_phys() 

__va(address) phys_to_virt()

// virt_to_phys() 和 phys_to_virt() 都定义在 include/asm-i386/io.h 中
// virt_to_phys()可以实现内核虚拟地址转化为物理地址：转换过程是将虚拟地址减去3G（PAGE_OFFSET=0XC000000）
#define __pa(x) ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)
extern inline unsigned long virt_to_phys(volatile void * address)

　return __pa(address);

// 与之对应的函数为phys_to_virt()，将内核物理地址转化为虚拟地址：
#define __va(x) ((void *)((unsigned long)(x)+PAGE_OFFSET))
extern inline void * phys_to_virt(unsigned long address)

　return __va(address);

2.1.2 kmalloc的用法

kmalloc与malloc 相似，该函数返回速度快快(除非它阻塞)并对其分配的内存不进行初始化（清零），分配的区仍然持有它原来的内容， 分配的区也是在物理内存中连续。记住 kmalloc 原型是:

#include <linux/slab。h>
void *kmalloc(size_t size, int flags);

给 kmalloc 的第一个参数是要分配的块的大小。 第 2 个参数, 分配标志, 用于控制 kmalloc的行为。

1、flags 参数

• GFP_ATOMIC

用来从中断处理和进程上下文之外的其他代码中分配内存。 从不睡眠。

• GFP_KERNEL

内核内存的正常分配。 可能睡眠。

• GFP_USER

用来为用户空间页来分配内存; 它可能睡眠。

• GFP_HIGHUSER

如同 GFP_USER, 但是从高端内存分配, 如果有。 高端内存在下一个子节描述。

• GFP_NOIO 、GFP_NOFS

这个标志功能如同 GFP_KERNEL, 但是它们增加限制到内核能做的来满足请求。 一个 GFP_NOFS 分配不允许进行任何文件系统调用, 而 GFP_NOIO 根本不允许任何 I/O 初始化。 它们主要地用在文件系统和虚拟内存代码, 那里允许一个分配睡眠, 但是递归的文件系统调用会是一个坏注意。
上面列出的这些分配标志可以是下列标志的相或来作为参数, 这些标志改变这些分配如何进行:

• __GFP_DMA

这个标志要求分配在能够 DMA 的内存区。 确切的含义是平台依赖的并且在下面章节来解释。

• __GFP_HIGHMEM

这个标志指示分配的内存可以位于高端内存。

• __GFP_COLD

正常地, 内存分配器尽力返回"缓冲热"的页 -- 可能在处理器缓冲中找到的页。 相反, 这个标志请求一个"冷"页, 它在一段时间没被使用。 它对分配页作 DMA 读是有用的, 此时在处理器缓冲中出现是无用的。 一个完整的对如何分配 DMA 缓存的讨论看"直接内存存取"一节在第 1 章。

• __GFP_NOWARN

这个很少用到的标志阻止内核来发出警告(使用 printk ), 当一个分配无法满足。

• __GFP_HIGH

这个标志标识了一个高优先级请求, 它被允许来消耗甚至被内核保留给紧急状况的最后的内存页。

• __GFP_REPEAT、__GFP_NOFAIL、__GFP_NORETRY

这些标志修改分配器如何动作, 当它有困难满足一个分配。 __GFP_REPEAT 意思是" 更尽力些尝试" 通过重复尝试 -- 但是分配可能仍然失败。 __GFP_NOFAIL 标志告诉分配器不要失败; 它尽最大努力来满足要求。 使用 __GFP_NOFAIL 是强烈不推荐的; 可能从不会有有效的理由在一个设备驱动中使用它。 最后, __GFP_NORETRY 告知分配器立即放弃如果得不到请求的内存。

2、size 参数

内核管理系统的物理内存, 这些物理内存只是以页的大小来使用。 结果是, kmalloc 看来非常不同于一个典型的用户空间 malloc 实现。 一个简单的, 面向堆的分配技术可能很快有麻烦; 它可能在解决页边界时有困难。 因而, 内核使用一个特殊的面向 页的分配技术来最好地利用系统RAM。

Linux 处理内存分配通过创建一套固定大小的内存对象池。 分配请求被这样来处理：进入一个持有足够大的对象的池子并且将整个内存块递交给请求者。 内存管理方案是非常复杂, 并且细节通常不是全部设备驱动编写者都感兴趣的。

然而, 驱动开发者应当记住的一件事情是, 内核只能分配某些预定义的, 固定大小的字节数组。 如果你请求一个任意数量内存,你可能得到稍微多于你请求的, 至多是 2 倍数量的内存。 同样, 程序员应当记住 kmalloc 能够处理的最小分配是 32 或者 64 字节,依赖系统的体系所使用的页大小。kmalloc分配的最大最小内存限制参见博文 kmalloc分配内存大小的限制和宏的一种用法​​​​​​​

kmalloc 能够分配的内存块的大小有一个上限。 这个限制随着体系和内核配置选项而 变化。 如果你的代码是要完全可移植,它不能指望可以分配任何大于 128 KB。

3、kzalloc

用kzalloc申请内存的时候， 效果等同于先是用 kmalloc() 申请空间 , 然后用 memset() 来初始化 ,所有申请的元素都被初始化为 0.

view plain
/** 
 * kzalloc - allocate memory. The memory is set to zero. 
 * @size: how many bytes of memory are required. 
 * @flags: the type of memory to allocate (see kmalloc). 
 */  
static inline void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags)  
  
    return kmalloc(size, flags | __GFP_ZERO);  
 

kzalloc 函数是带参数调用kmalloc函数，添加的参数是或了标志位__GFP_ZERO，

void *__kmalloc(size_t size, gfp_t flags)  
  
    struct kmem_cache *s;  
    void *ret;  
  
    if (unlikely(size > SLUB_MAX_SIZE))  
        return kmalloc_large(size, flags);  
  
    s = get_slab(size, flags);  
  
    if (unlikely(ZERO_OR_NULL_PTR(s)))  
        return s;  
  
    ret = slab_alloc(s, flags, -1, _RET_IP_);  
  
    trace_kmalloc(_RET_IP_, ret, size, s->size, flags);  
  
    return ret;  
  

这个函数调用trace_kmalloc，flags参数不变，继续往里面可以看到：

static __always_inline void *slab_alloc(struct kmem_cache *s,  
        gfp_t gfpflags, int node, unsigned long addr)  
  
    void **object;  
    struct kmem_cache_cpu *c;  
    unsigned long flags;  
    unsigned int objsize;  
  
    gfpflags &= gfp_allowed_mask;  
  
    lockdep_trace_alloc(gfpflags);  
    might_sleep_if(gfpflags & __GFP_WAIT);  
  
    if (should_failslab(s->objsize, gfpflags))  
        return NULL;  
  
    local_irq_save(flags);  
    c = get_cpu_slab(s, smp_processor_id());  
    objsize = c->objsize;  
    if (unlikely(!c->freelist || !node_match(c, node)))  
  
        object = __slab_alloc(s, gfpflags, node, addr, c);  
  
    else   
        object = c->freelist;  
        c->freelist = object[c->offset];  
        stat(c, ALLOC_FASTPATH);  
      
    local_irq_restore(flags);  
  
    if (unlikely((gfpflags & __GFP_ZERO) && object))  
        memset(object, 0, objsize);  
  
    kmemcheck_slab_alloc(s, gfpflags, object, c->objsize);  
    kmemleak_alloc_recursive(object, objsize, 1, s->flags, gfpflags);  
  
    return object;  
  

这里主要判断两个标志，WAIT和ZERO，和本文有关的关键代码就是：

if (unlikely((gfpflags & __GFP_ZERO) && object))
memset(object, 0, objsize);

4、vmalloc

vmalloc用于申请较大的内存空间，虚拟内存是连续。申请的内存的则位于vmalloc_start～vmalloc_end之间，与物理地址没有简单的转换关系，虽然在逻辑上它们也是连续的，但是在物理上它们不要求连续。以字节为单位进行分配：

<linux/vmalloc.h> 
void *vmalloc(unsigned long size) 

分配的内存虚拟地址上连续，物理地址不连续。

一般情况下，只有硬件设备才需要物理地址连续的内存，因为硬件设备往往存在于MMU之外，根本不了解虚拟地址；但为了性能上的考虑，内核中一般使用kmalloc(),而只有在需要获得大块内存时才使用vmalloc，例如当模块被动态加载到内核当中时，就把模块装载到由vmalloc分配的内存上。

5、kmalloc、get_free_page和vmalloc的区别：

我们用下面的程序来演示kmalloc、get_free_page和vmalloc的区别：

#include <linux/module.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/vmalloc.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
unsigned char *pagemem;
unsigned char *kmallocmem;
unsigned char *vmallocmem;

int __init mem_module_init(void)

    //最好每次内存申请都检查申请是否成功
    //下面这段仅仅作为演示的代码没有检查
    pagemem = (unsigned char*)get_free_page(0);
    printk("<1>pagemem addr=%x", pagemem);

    kmallocmem = (unsigned char*)kmalloc(100, 0);
    printk("<1>kmallocmem addr=%x", kmallocmem);

    vmallocmem = (unsigned char*)vmalloc(1000000);
    printk("<1>vmallocmem addr=%x", vmallocmem);

    return 0;


void __exit mem_module_exit(void)

    free_page(pagemem);
    kfree(kmallocmem);
    vfree(vmallocmem);


module_init(mem_module_init);
module_exit(mem_module_exit);

我们的系统上有160MB的内存空间，运行一次上述程序，发现pagemem的地址在0xc7997000（约3G+121M）、kmallocmem 地址在0xc9bc1380（约3G+155M）、vmallocmem的地址在0xcabeb000（约3G+171M）处，符合前文所述的内存布局。

6、用户空间申请内存malloc

malloc内存分配和Kmalloc相似，除非被阻塞否则他执行的速度非常快，而且不对获得空间清零。malloc分配的是用户的内存。
使用：

void *malloc(size_t size);

本文参考资料：
http://blog.csdn.net/macrossdzh/article/details/5958368
http://hi.baidu.com/yangyingchao/item/d1ca44d000fcc4b832db905f
http://blog.csdn.net/armeasy/article/details/6861978
感谢以上作者的分享
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作者：不会游泳的鱼star 
来源：CSDN 
原文：https://blog.csdn.net/star_xiong/article/details/17683733 
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