Linux内核中动态内存分配函数解析
在C语言中，动态内存分配通常用于在运行时申请内存。在内核编程中，动态内存分配与用户空间有所不同，因为内核需要更谨慎地处理内存，且不能使用用户空间的库（如glibc）。下面我们将详细分析Linux内核中动态申请内存的函数及其区别。
Linux内核中动态内存分配函数
1. kmalloc
kmalloc函数用于在内核空间申请一块连续的内存区域。它的原型如下：
void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);
- 参数：
size：要分配的内存大小（以字节为单位）。flags：分配标志，用于指定分配内存的行为和内存类型（例如GFP_KERNEL、GFP_ATOMIC等）。
- 返回值：成功时返回指向分配内存的指针，失败时返回
NULL。 - 特点：
- 分配的内存是物理上连续的（在虚拟地址空间也是连续的）。
- 分配的大小有限制（通常最大为4MB，但具体取决于配置和架构）。
- 适用于需要小块连续内存的情况（如结构体、缓冲区等）。
2. kzalloc
kzalloc是kmalloc的一个变种，它在分配内存的同时将内存初始化为0。原型如下：
void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags);
- 它等价于先用
kmalloc分配内存，然后用memset清零。 - 参数和返回值与
kmalloc相同。
3. vmalloc
vmalloc用于分配大块连续虚拟内存（物理内存不一定连续）。原型如下：
void *vmalloc(unsigned long size);
- 参数：
size：要分配的内存大小（以字节为单位）。
- 返回值：成功时返回虚拟地址连续的指针，失败时返回
NULL。 - 特点：
- 分配的内存虚拟地址连续，但物理地址可能不连续。
- 分配的内存可以很大（远大于
kmalloc的限制）。 - 访问速度可能比
kmalloc慢，因为需要建立页表映射，且可能引起TLB抖动。 - 适用于需要大块内存且不需要物理连续性的情况（如模块加载、大型缓冲区等）。
4. kcalloc
kcalloc用于分配数组内存，并将内存初始化为0。原型如下：
void *kcalloc(size_t n, size_t size, gfp_t flags);
- 参数：
n：数组元素个数。size：每个元素的大小。flags：同kmalloc。
- 返回值：成功返回指针，失败返回
NULL。 - 它分配的内存大小为
n * size，并初始化为0。
5. alloc_pages / __get_free_pages
这两个函数用于直接分配页面（以页为单位）。
alloc_pages返回struct page *，而__get_free_pages返回虚拟地址。- 原型：
struct page *alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order); unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order); - 参数：
gfp_mask：分配标志。order：指定分配页数的对数（即分配页数为2^order）。
- 它们分配的内存是物理连续的，适用于大块内存需求（但比
vmalloc高效，因为物理连续）。
6. kmem_cache_alloc
用于从特定的内存缓存中分配对象。内核中经常需要频繁分配和释放相同大小的内存块（如结构体），使用slab分配器可以提高效率。
- 首先需要创建一个缓存：
struct kmem_cache *kmem_cache_create(const char *name, size_t size, size_t align, unsigned long flags, void (*ctor)(void *)); - 然后从缓存中分配：
void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags); - 释放对象到缓存：
void kmem_cache_free(struct kmem_cache *cachep, void *objp); - 销毁缓存：
void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *cachep);
区别对比
| 函数 | 物理连续 | 虚拟连续 | 最大大小 | 适用场景 | 速度 |
|---|---|---|---|---|---|
kmalloc/kzalloc | 是 | 是 | 较小（如4MB） | 小内存、需要物理连续 | 快 |
vmalloc | 否 | 是 | 很大（如多个GB） | 大内存、不需要物理连续 | 慢 |
kcalloc | 是 | 是 | 同kmalloc | 数组分配并初始化为0 | 快 |
alloc_pages等 | 是 | 是 | 较大（多页） | 大块物理连续内存 | 快 |
kmem_cache_alloc | 是（通常） | 是 | 由缓存对象决定 | 频繁分配释放固定大小对象 | 非常快 |
分配标志（gfp_t flags）常用值
GFP_KERNEL：常规分配，可能睡眠（阻塞），适用于进程上下文。GFP_ATOMIC：原子分配，不会睡眠，适用于中断上下文或不能睡眠的地方。GFP_USER：为用户空间分配内存。GFP_HIGHUSER：从高端内存为用户空间分配。GFP_NOIO：禁止I/O操作（在存储管理代码中使用）。GFP_NOFS：禁止文件系统操作（在文件系统代码中使用）。GFP_DMA：分配可用于DMA的内存（物理地址在16MB以下）。GFP_DMA32：分配可用于DMA的内存（物理地址在4GB以下）。
使用注意事项
- 上下文要求：在中断上下文、软中断、持有自旋锁等原子上下文中，不能使用可能睡眠的函数（如
GFP_KERNEL），而应使用GFP_ATOMIC。 - 内存泄漏：内核内存不会自动释放，必须显式释放，否则会导致内存泄漏。
- 碎片问题：频繁分配释放内存可能导致碎片，使用slab分配器可以减少碎片。
- 性能考量：
vmalloc分配的内存访问速度相对较慢，应避免在性能关键路径中使用。
释放内存的函数
kmalloc/kzalloc/kcalloc分配的内存用kfree释放。vmalloc分配的内存用vfree释放。__get_free_pages分配的内存用free_pages释放。alloc_pages分配的内存用__free_pages释放。kmem_cache_alloc分配的内存用kmem_cache_free释放。
示例代码片段
// 使用kmalloc
void *ptr = kmalloc(100, GFP_KERNEL);
if (ptr) {// 使用内存kfree(ptr);
}
// 使用vmalloc
void *vptr = vmalloc(1000000);
if (vptr) {// 使用内存vfree(vptr);
}
// 使用内存缓存
struct kmem_cache *my_cache = kmem_cache_create("my_cache", sizeof(struct my_struct), 0, 0, NULL);
struct my_struct *obj = kmem_cache_alloc(my_cache, GFP_KERNEL);
if (obj) {// 使用对象kmem_cache_free(my_cache, obj);
}
kmem_cache_destroy(my_cache);
以上是Linux内核中动态内存分配的主要函数及其区别。在实际使用中，应根据具体需求选择合适的内存分配函数。