接前一篇文章：Linux內(nèi)核與驅(qū)動面試經(jīng)典“小”問題集錦（3）

問題5

問：Linux內(nèi)核中內(nèi)存分配都有哪些方式？它們之間的使用場景都是什么？

備注：這個問題是筆者近期參加蔚來面試時遇到的一個問題。這道題說是一道小題，其實(shí)應(yīng)該是一道大題，它考察的是候選者對于Linux內(nèi)存管理子系統(tǒng)中內(nèi)存分配這一塊的功力深淺。

答：

在Linux內(nèi)核空間中，申請內(nèi)存所涉及的函數(shù)主要包括kmalloc()、__get_free_pages()和vmalloc()等。其中，kmalloc()和__get_free_pages()（及其類似函數(shù)）申請的內(nèi)存位于DMA和常規(guī)區(qū)域的映射區(qū)，而且在物理上也是連續(xù)的，它們與真實(shí)的物理地址只有一個固定的偏移，因此存在較簡單的轉(zhuǎn)換關(guān)系；而vmalloc()在虛擬內(nèi)存空間給出一塊連續(xù)的內(nèi)存區(qū)。實(shí)質(zhì)上，這片連續(xù)的虛擬內(nèi)存在物理內(nèi)存中并不一定連續(xù)，而vmalloc()申請的虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存之間也沒有簡單的換算關(guān)系。

1. kmalloc()

kmalloc函數(shù)在include/linux/slab.h中，代碼如下：

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函數(shù)的第一個參數(shù)是要分配的塊的大小；第二個參數(shù)為分配標(biāo)志，用于控制kmalloc()的行為。

最常用的分配標(biāo)志是GFP_KERNEL，其含義是在內(nèi)核空間的進(jìn)程中申請內(nèi)存。kmalloc()的底層依賴于__get_free_pages()來實(shí)現(xiàn)，分配標(biāo)志的前綴GFP正好是這個底層函數(shù)的縮寫。使用GFP_KERNEL標(biāo)志申請內(nèi)存時，若暫時不能滿足，則進(jìn)程會休眠等待頁，即會引起阻塞，因此不能在中斷上下文或持有自旋鎖的時候使用GFP_KERNEL申請內(nèi)存。

備注：這也是經(jīng)常會被問到的一道經(jīng)典面試題，即GFP_KERNEL能否用在中斷中？或者中斷中應(yīng)該使用哪些標(biāo)志？

由于在中斷處理函數(shù)、tasklet和內(nèi)核定時器等非進(jìn)程上下文中不能阻塞，所以此時驅(qū)動應(yīng)當(dāng)使用GFP_ATOMIC標(biāo)志來申請內(nèi)存。當(dāng)使用GFP_ATOMIC標(biāo)志申請內(nèi)存時，若不存在空閑頁，則不等待，直接返回。

其它的申請標(biāo)志還包括：

• GFP_USER：用來為用戶空間頁分配內(nèi)存，可能阻塞。
• GFP_HIGHUSER：類似于GFP_USER，但它從高端內(nèi)存分配。
• GFP_DMA：從DMA區(qū)域分配內(nèi)存，
• GFP_NOIO：不允許任何I/O初始化。
• GFP_NOFS：不允許任何文件系統(tǒng)調(diào)用。
• __GFP_HIGHMEM：指示分配的內(nèi)存可以位于高端內(nèi)存。
• __GFP_COLD：請求一個較長時間不訪問的頁。
• __GFP_NOWARN：當(dāng)一個分配無法滿足時，阻止內(nèi)核發(fā)出警告。
• __GFP_HIGH：高優(yōu)先級請求，允許獲得被內(nèi)核保留給緊急情況使用的最后的內(nèi)存頁。
• __GFP_REPEAT：分配失敗，則盡力重復(fù)嘗試。
• __GFP_NOFAIL：只許申請成功，不許失敗。不推薦使用此標(biāo)志。
• __GFP_NORETRY：若申請不到，則立即放棄。

使用kmalloc()申請的內(nèi)存應(yīng)該使用kfree()釋放，這個函數(shù)的用法和用戶空間的free()類似。

2. __get_free_pages()

__get_free_pages()系列函數(shù)/宏本質(zhì)上是Linux內(nèi)核最底層用于獲取空閑內(nèi)存的方法，因?yàn)榈讓拥腷uddy（伙伴）算法以2^n頁為單位管理空閑內(nèi)存，因此最底層的內(nèi)存申請總是以2^n頁為單位的。

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

• get_zeroed_page()

該函數(shù)返回一個指向新頁的指針，并且將該頁清零。其在mm/page_alloc.c中，代碼如下：

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();

該宏返回一個指向新頁的指針，但該頁不清零。其定義在include/linux/gfp.h中，如下：是：

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

它實(shí)際上就是調(diào)用了下邊的__get_free_pages()申請一頁。

• __get_free_pages()

__get_free_pages()也是在mm/page_alloc.c中，代碼如下：

/** 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);

該函數(shù)可分配多個頁，并返回所分配內(nèi)存的首地址。分配的頁數(shù)為2^order，分配的頁不清零。oeder允許的最大值是10（1024頁）或者11（2048頁），這取決于具體的硬件平臺。

__get_free_pages()和get_zeroed_page()在實(shí)現(xiàn)中調(diào)用了alloc_pages函數(shù)，alloc_pages()既可以在內(nèi)核空間分配，也可以在用戶空間分配。該函數(shù)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);

其參數(shù)含義與__get_free_pages()相似，但它返回分配的第一個頁的描述符而非首地址。

3. vmalloc

vmalloc()一般只為存在于軟件中（沒有對應(yīng)的硬件意義）的較大的順序緩沖區(qū)分配內(nèi)存。vmalloc()遠(yuǎn)大于__get_free_pages()的開銷。為了完成vmalloc()，新的頁表項(xiàng)需要被建立。因此，只是調(diào)用vmalloc()來分配少量的內(nèi)存（如1頁以內(nèi)的內(nèi)存）是不妥的。

vmalloc函數(shù)在mm/vmalloc.c中，代碼如下：

/*** 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函數(shù)在申請內(nèi)存時，會進(jìn)行內(nèi)存的映射，改變頁表項(xiàng)，而不像kmalloc()實(shí)際用的是開機(jī)過程中就映射好了的DMA和常規(guī)區(qū)域的頁表項(xiàng)。因此，vmalloc()的虛擬地址和物理地址不是一個簡單的線性映射。

vmalloc函數(shù)不能用在原子上下文中，因?yàn)槠鋬?nèi)部實(shí)現(xiàn)使用了標(biāo)志位GFP_KERNEL的kmalloc()。

這里多說一點(diǎn)。關(guān)于kmalloc與vmalloc的區(qū)別，參見筆者的這篇文章：中移（蘇州）軟件技術(shù)有限公司面試問題與解答（7）—— kmalloc與vmalloc的區(qū)別與聯(lián)系及使用場景。

以上是從具體的內(nèi)存分配函數(shù)的角度來說的。從更大的層面來講，Linux內(nèi)核物理內(nèi)存分配的一般方式包括：

（1）伙伴系統(tǒng)（Buddy System）

伙伴系統(tǒng)將物理內(nèi)存劃分為不同大小的塊，每個塊大小都是2的冪次。這些塊被組織成“伙伴”對，每對伙伴的大小是一樣的。

（2）slab分配器

slab分配器用于管理小塊內(nèi)存分配，如內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分配。slab分配器將內(nèi)存劃分為不同的對象緩存，以提高內(nèi)存分配和釋放的效率。

（3）CMA（Contiguous Memory Allocator，連續(xù)內(nèi)存分配器）

對于需要連續(xù)大塊內(nèi)存的需求，Linux引入了CMA。它可以用于分配連續(xù)的物理內(nèi)存區(qū)域，如視頻緩沖等。

（4）頁分配器

Linux內(nèi)核將物理內(nèi)存劃分為固定大小的頁，通常是4KB。當(dāng)進(jìn)程需要內(nèi)存時，內(nèi)核會使用頁分配器來分配這些頁面。

（5）內(nèi)存回收

Linux內(nèi)核還會定期執(zhí)行內(nèi)存回收，以回收未使用的內(nèi)存。這包括清除不再使用的頁面，并將其返回到內(nèi)存池中。

可見，本題雖然看似是一道面試小題，但實(shí)際上其背后蘊(yùn)含的知識點(diǎn)是非常豐富的，也是非?？简?yàn)功力的。

參考資料：

《Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)詳解 —— 基于最新的Linux 4.0內(nèi)核》 宋寶華 編著，機(jī)械工業(yè)出版社