Linux内核内存分配函数之kzalloc和kcalloc

本文介绍Linux内核内存分配函数： kzalloc() 和 kcalloc() 。

文件： include/linux/slab.h ，定义如下：

kzalloc() 函数功能同 kmalloc() 。区别：内存分配成功后清零。

每次使用 kzalloc() 后，都要有对应的内存释放函数 kfree() 。

举例：

文件： include/linux/slab.h ，定义如下：

kcalloc() 函数为数组分配内存，大小 n*size ，并对分配的内存清零。该函数的最终实现类似 kmalloc() 函数。

每次使用 kcalloc() 后，都要有对应的内存释放函数 kfree() 。

举例：

在Linux内核空间中申请内存涉及的函数主要包括kmalloc () 、_get_free _pages ()和vmalloc(等。kmalloc()和_get_free pages ()(及其类似函数）申请的内存位于DMA和常规区域的映射区，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。而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，而vmalloc (）申请的虚拟内存和物理内存之间也没有简单的换算关系。

1.kmalloc ( )

给kmalloc() 的第一个参数是要分配的块的大小第二个参数为分配标志，用于控制kmalloc ()的行为。最常用的分配标志是GFP_KERNEL，其含义是在内核空间的进程中申请内存。kmalloc ()的底层依赖于_get_free pages ()来实现，分配标志的前缀GFP正好是这个底层函数的缩写。使用GFP_KERNEL标志申请内存时，若暂时不能满足，则进程会睡眠等待页，即会引起阻塞，因此不能在中断上下文或持有自旋锁的时候使用GFP_KERNE申请内存。由于在中断处理函数、tasklet和内核定时器等非进程上下文中不能阻塞，所以此时驱动应当使用GFP_ATOMIC标志来申请内存。当使用GFP_ATOMIC标志申请内存时，若不存在空闲页，则不等待，直接返回。

其他的申请标志还包括GFP_USER(用来为用户空间页分配内存，可能阻塞）、GFP_HIGHUSER（类似GFP_USER，但是它从高端内存分配)、GFP_DMA（从DMA区域分配内存)、GFP_NOIO（不允许任何IO初始化)、GFP_NOFS（不允许进行任何文件系统调用）、__GFP_ HIGHMEM（指示分配的内存可以位于高端内存)、__(GFP COLD（请求一个较长时间不访问的页)、_GFP_NOWARN(当一个分配无法满足时，阻止内核发出警告)、_GFP_HIGH(高优先级请求，允许获得被内核保留给紧急状况使用的最后的内存页）、GFP_REPEAT（分配失败，则尽力重复尝试)、_GFP_NOFAIL(标志只许申请成功，不推荐）和__GFPNORETRY（若申请不到，则立即放弃)等。

使用kmalloc()申请的内存应使用kfree()释放，这个函数的用法和用户空间的free()类似。

2._get_free_pages ()

_get_free pages ()系列函数/宏本质上是Linux内核最底层用于获取空闲内存的方法，因为底层的buddy算法以2n页为单位管理空闲内存，所以最底层的内存申请总是以2n页为单位的。

get_free _pages (）系列函数/宏包括get_zeroed _page () 、_get_free_page ()和get_free pages () 。

__get_free_pages(unsigned int flags, unsigned int order) 该函数可分配多个页并返回分配内存的首地址，分配的页数为2order，分配的页也不清零。order允许的最大值是10（即1024页）或者11（即2048页），这取决于具体的硬件平台。

*** 作系统的内存管理，主要分为三个方面。

第一，物理内存的管理，相当于会议室管理员管理会议室。

第二，虚拟地址的管理，也即在项目组的视角，会议室的虚拟地址应该如何组织。

第三，虚拟地址和物理地址如何映射，也即会议室管理员如果管理映射表。

那么虚拟地址和物理地址如何映射呢？

每一个进程都有一个列表vm_area_struct，指向虚拟地址空间的不同的内存块，这个变量的名字叫mmap。

其实内存映射不仅仅是物理内存和虚拟内存之间的映射，还包括将文件中的内容映射到虚拟内存空间。这个时候，访问内存空间就能够访问到文件里面的数据。而仅有物理内存和虚拟内存的映射，是一种特殊情况。

如果我们要申请小块内存，就用brk。brk函数之前已经解析过了，这里就不多说了。如果申请一大块内存，就要用mmap。对于堆的申请来讲，mmap是映射内存空间到物理内存。

另外，如果一个进程想映射一个文件到自己的虚拟内存空间，也要通过mmap系统调用。这个时候mmap是映射内存空间到物理内存再到文件。可见mmap这个系统调用是核心，我们现在来看mmap这个系统调用。

用户态的内存映射机制包含以下几个部分。

物理内存根据NUMA架构分节点。每个节点里面再分区域。每个区域里面再分页。

物理页面通过伙伴系统进行分配。分配的物理页面要变成虚拟地址让上层可以访问，kswapd可以根据物理页面的使用情况对页面进行换入换出。

对于内存的分配需求，可能来自内核态，也可能来自用户态。

对于内核态，kmalloc在分配大内存的时候，以及vmalloc分配不连续物理页的时候，直接使用伙伴系统，分配后转换为虚拟地址，访问的时候需要通过内核页表进行映射。

对于kmem_cache以及kmalloc分配小内存，则使用slub分配器，将伙伴系统分配出来的大块内存切成一小块一小块进行分配。

kmem_cache和kmalloc的部分不会被换出，因为用这两个函数分配的内存多用于保持内核关键的数据结构。内核态中vmalloc分配的部分会被换出，因而当访问的时候，发现不在，就会调用do_page_fault。

对于用户态的内存分配，或者直接调用mmap系统调用分配，或者调用malloc。调用malloc的时候，如果分配小的内存，就用sys_brk系统调用；如果分配大的内存，还是用sys_mmap系统调用。正常情况下，用户态的内存都是可以换出的，因而一旦发现内存中不存在，就会调用do_page_fault。

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