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quejing
发布于 2023-12-26 / 222 阅读
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14 内存分配

#Linux

之前在编写字符设备的时候，我们使用过 kmalloc 和 kfree 来分配和释放内存，除了这个方法外，内核还提供了其他分配内存的方法。

本节主要说一下Linux中的内存分配问题。主要包括以下内容：

  • kmalloc 介绍；
  • slab 介绍；
  • vmalloc 介绍；

1. kmalloc详细介绍

使用 kmalloc 内存分配除非被阻塞，否则可以运行得很快，它分配的区域在物理内存中也是连续的，但它不会对所获取的内存空间清零，因此，需要对分配的内存进行显式清空，否则会有信息泄露的风险。

其函数原型如下：

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

第一个参数是需要分配内存的大小，关键是第二个参数flag，其表示分配内存的方式。

通常我们使用GFP_KERNEL这个标志（说明一下，GFP是get_free_page的缩写，方便识记），使用该标志可能会导致休眠。

除了 GFP_KERNEL 外，还有以下标志来控制内存分配方式：

GFP_ATOMIC：不会休眠，可用于中断上下文中；
GFP_KERNEL：通常使用的分配方法，可能引起休眠；
GFP_USER：为用户空间页分配内存，可能引起休眠；
GFP_HIGHUSER：类似GFP_USER，但会从高端内存（如果有）中进行分配；
GFP_NOIO、GFP_NOFS：类似GFP_KERNEL，但增加了一些限制，NOFS分配不运行执行任何文件系统调用，NOIO禁止任何IO的初始化。

基本上，使用 GFP_KERNEL 和 GFP_ATOMIC 即可以满足我们大多数的驱动开发要求。

上面的标志位可以与下面的标志进行或操作，进一步控制如何进行分配：

__GFP_DMA: 分配的内存位于DMA内存区段
__GFP_HIGHMEM: 分配的内存可位于高端内存
__GFP_COLD: 通常内存分配会返回“缓存热（cache warm）”页面，即在处理器缓存中找到的页面。该标志为请求使用尚未使用的“冷”页面，一般用于DMA页面分配中
__GFP_NOWARM: 分配内存时不产生警告信息
__GFP_HIGHT: 高优先级请求，紧急情况下允许消耗内核保留的最后一些页面
__GFP_REPEAT: 分配失败时重试一次
__GFP_NOFAIL: 不允许失败，未分配成功不会返回
__GFP_NORETRY : 分配失败后立刻返回

这里对Linux内核中的内存区段做一些说明。Linux内核把内存分为3个区段：

  • DMA内存：范围是0~16M，该区域的物理页面专门供I/O设备的DMA使用
  • 常规内存：范围是16~896M，该区域的物理页面是内核能够直接使用的
  • 高端内存：围是896~结束，高端内存，内核不能直接使用

如果未指定上面的标志位，则DMA、常规内存都可能被搜索分配；如果指定 __GFP_DMA，则只会有DMA内存被搜索分配；如果指定了 __GFP_HIGHMEM，则三个区段都会被搜索分配。

使用kmalloc分配内存是有一个上限的，这个上限和架构、内核配置有关，不过，为了代码的可移植性，不要分配大于128KB的内存。

2. 后备高速缓存（slab分配器）

对于需要反复分配的大小相同的内存块，可以考虑将其保存在一个内存池中。Linux中实现了这种类型池，称为后备高速缓存，也被称为slab分配器。相关函数如下：

#include <linux/slab.h>
  
kmem_cache_t *kmem_cache_create(const char *name, size_t size, size_t offset,
    unsigned long flags,
    void (*constructor)(void *, kmem_cache_t *, unsigned long flags), 
    void (*destructor)(voide *, kmem_cache_t *, unsgined long flags));
void *kmem_cache_alloc(kmem_cache_t *cache, int flags);
void kmem_cache_free(kmem_cache_t *cache, const void *obj);
int kmem_cache_destroy(kmem_cache_t *cache);
  • slab分配器具有kmem_cache_t类型，通过kmem_cache_create()函数进行创建，其可以容纳任意数目的内存区域，这些内存区域的大小等于参数size。参数name为该结构类型的名字，主要用于问题的追踪。参数offset为页面中第一个对象的偏移量，用于确保某些特殊对齐方式，如果不需要可以设置为0表示默认。flags控制如何完成分配，具体可以看mm/slab.c中。最后两个构造和析构函数是可选的参数，必须同时存在或不存在，如果需要建议使用同一个函数实现，通过flags（构造时会有SLAB_CTOR_CONSTRUCTOR标志）区分。
  • 上面创建了slab对象后，就可以调用kmem_cache_alloc()来分配内存空间。参数kmem_cache_t是上面创建的slab对象，flags和kmalloc的flags相同，用于需要分配更多内存时使用。
  • 释放使用的内存使用kmem_cache_free()函数。
  • 最后使用完成slab对象后需要销毁，调用kmem_cache_destroy()函数。

书中还介绍了内存池的概念和介绍，但其最后说应该尽量避免在驱动代码中使用mempool，因此这里也就不再过多介绍了。

3. get_free_page和相关函数

如果需要分配大块内存，使用面向页的分配技术会更好，相关函数如下：

get_zeroed_page(unsigned int flags); // 返回一页的空间，并将页面清0
__get_free_page(unsigned int flags); // 和上面类似，但不清页面
__get_free_pages(unsigned int flags, unsgined int order);  // 返回若干连续物理页面，不清0
void free_page(unsigned long addr); // 释放页面
void free_page(unsgined long addr, unsigned long order); // 释放页面
  • flags和kmalloc中的是一样的。
  • order为阶数，表示分配/释放的页数，其表示2的order次方，例如order为3则表示分配8页，order为0表示分配1页

如果想知道每个内存区段下每个阶数可获得的数据块数目，可以查看/proc/buddyinfo节点。

4. vmalloc 及其相关函数

使用vmalloc 分配的内存，其虚拟地址空间是连续的，但物理空间不一定连续。该函数的原型和相关函数如下：

#include <linux/vmalloc.h>
void *vmalloc(unsigned long size);
void vfree(void *addr);
void *ioremap(unsigned long offset, unsigned long size);
void iounmap(void *addr);

使用vmalloc 和 kmalloc 分配的内存地址其实都是虚拟地址，不过 kmalloc 的地址和物理地址是一一对应的，可能是基于某个常量有一个固定的偏移，分配时不用修改页表。vmalloc分配的内存地址完全是虚拟的，每次分配都要修改页表来建立与物理地址的映射关系。

因此，vmalloc 分配的地址只有配合对一个的MMU才有意义，如果需要真正的物理地址时，不能使用 vmalloc。

还有，vmalloc 适合用于分配大块的、只在软件中使用的、用于缓冲的内存区域，因此用于分配较小空间时是不划算的。

另外要注意的是，vmalloc 不能用于原子上下文中，因为其内部实现调用了kmalloc(GFP_KERNEL)来获取页表的存储空间，该调用可能产生休眠。

5. 使用示例

对上面说到的部分函数进行使用，也很简单，就是init的时候用不同的方法分配内存，在移除的时候释放内存。

需要说明的是，由于内核版本的不同，上面说的部分函数的参数和返回值有所不同。

以下代码是基于5.11.0-43-generic编写了，kmem_cache部分的函数参数和返回值与上面所说的不同，不过基本过程和原理是一样的。

部分代码如下：

分配内存：

scull_mem_dev.kmalloc_data = (char *)kmalloc(DATA_SIZE, GFP_KERNEL); /** kmalloc 分配数据空间 */
if(scull_mem_dev.kmalloc_data == NULL){
    Log("kmalloc alloc data failed!\n");
    goto alloc_data_err;
}
Log("kmalloc mem addr: 0x%08lX", (unsigned long)scull_mem_dev.kmalloc_data);
scull_mem_dev.vmalloc_data = (char *)vmalloc(DATA_SIZE); /** vmalloc 分配数据空间 */
if(scull_mem_dev.vmalloc_data == NULL){
    Log("vmalloc alloc data failed!\n");
    goto alloc_data_err;
}
Log("vmalloc mem addr: 0x%08lX", (unsigned long)scull_mem_dev.vmalloc_data);
scull_mem_dev.kmem_cache = kmem_cache_create("test_scull_mem", DATA_SIZE, 0, 0, NULL);
if (scull_mem_dev.kmem_cache == NULL) {
    Log("create kmem cache failed!");
    goto alloc_data_err;
}
scull_mem_dev.kmem_cache_data = kmem_cache_alloc(scull_mem_dev.kmem_cache, GFP_KERNEL); /** kmem_cache 分配数据空间 */
if (scull_mem_dev.kmem_cache_data == NULL) {
    Log("kmem cache alloc data failed!\n");
    goto alloc_data_err;
}
Log("kmem cache mem addr: 0x%08lX", (unsigned long)scull_mem_dev.kmem_cache_data);

释放内存：

if (scull_mem_dev.kmem_cache_data != NULL) {
    kmem_cache_free(scull_mem_dev.kmem_cache, scull_mem_dev.kmem_cache_data);
}
if (scull_mem_dev.kmem_cache != NULL) {
    kmem_cache_destroy(scull_mem_dev.kmem_cache);
    scull_mem_dev.kmem_cache_data = NULL;
}
if (scull_mem_dev.kmalloc_data != NULL) {
    kfree(scull_mem_dev.kmalloc_data);
    scull_mem_dev.kmalloc_data = NULL;
}
if (scull_mem_dev.vmalloc_data != NULL) {
    vfree(scull_mem_dev.vmalloc_data);
    scull_mem_dev.vmalloc_data = NULL;
}

完整代码位于https://gitee.com/Quehehe/LinuxDeviceDriver仓库的scull_mem目录下。

15 硬件通信
13 时间操作（二）