linux内核内存分配（一、基本概念）

内存分配是Linux比较复杂也是比较重要的部分，这个和ssd驱动很类似：物理地址和虚拟地址的映射关系。下面总结下最近看到的有关内存分配的内容和自己的理解；

1、一致内存访问和非一致内存访问

上图来自《深入linux设备驱动程序内核机制》

简单的说明下，UMA（一致内存访问 uniform memory access）可以很好的看到所有cpu访问内存的距离都是一样的（其实就是通过总线到内存的速度和距离都是一样的）所以就叫一致内存访问；

很显然右边的NUMA就是非一致内存访问，内存节点0是CPU0的本地内存（虽然其他CPU也可以访问，但是没有CPU0的速度高），所以这样各个CPU访问内存节点都会首先选择本地内存节点，然后再考虑其他内存节点；

2、物理内存和虚拟地址

上图来自《深入linux设备驱动程序内核机制》

首先大概的可以看出左边的mem_map数组中存放的是page结构体元素，中间的是实际的物理内存，右边的是虚拟的地址范围；

他们之间的关系大概是这样的，mem_map数组中的元素和物理内存页联系，page指针指向中间的物理内存中的某个物理页，这个关系是为了系统方便管理内存；

而物理内存页和右边的虚拟地址范围映射，这个是为了操作物理内存，一般右边的虚拟地址由cpu使用（软件上使用的也是虚拟地址，不过该地址最终还是CPU使用）。CPU和MMU之间使用的都是虚拟地址，出了MMU后就转换为实际的物理内存地址，一般有两个地方使用：1、总线上；2、物理内存（可以理解为内存条上）；

这里类比下SSD驱动的原理：FTL数组中存放的是pba（lun、block、page、offset），而数组下标为lba，pba是SSD上的实际物理地址，lba则是上层软件使用的逻辑地址；他们通过FTL数组来映射，这样就可以通过修改数组中的pba来实现SSD像硬盘那样覆盖写等硬盘的特有性能；

回到内存分配上，从上面的图中应该可以看出物理内存分为三大区域：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL、ZONE_HIGHMEM；mem_map数组和物理内存页全部一一映射，也会形成三大区域；而在系统初始化期间，会把物理内存区域中ZONE_DMA和ZONE_NORMAL分别和右边的虚拟地址“物理页面直接映射区”（这个虚拟地址区域名称有点怪，其实就是内核地址的0～896M地址范围）建立线性映射，这样就会建立相应的页目录和页表；如果对右边这个虚拟地址范围分配有疑问的可以看看：http://blog.csdn.net/yuzhihui_no1/article/details/46982231，不过这些都是在32位的系统中的，在64位系统中可以说完全不一样，不过有这个概念会好点；

这时候，如果在内核内存ZONE_DMA和ZONE_NORMAL区域分配，则可以直接返回虚拟地址（0～896M）这个虚拟地址的界限不是固定的；如果需要在物理内存ZONE_HIGHMEM分配时，则要复杂些了；简单的步骤为：1、在物理内存ZONE_HIGHMEM中查找一个空闲页；2、在右边的虚拟地址中的动态映射区或固定映射区分配一个虚拟地址；3、建立页目录和页表，使物理页和虚拟地址映射起来；

3、物理页分配接口函数

    首先是：alloc_pages(gfp_mask, order)宏,(是不是很奇怪没有先写kmalloc、vmalloc，那是因为他们俩比较复杂，也比较重要，当然最主要的是他们不是分配物理页。后面要用很大的篇幅来分析他们俩)；参数 gfp_mask是一个掩码参数，用来控制分配行为（哪个区域分配、是否阻塞分配等）；order是表示分配2的order次方个物理页面；

    alloc_pages(gfp_mask, order); 调用  alloc_pages_node(); 调用 __alloc_pages()；说到底最后工作的还是__alloc_pages()，alloc_pages()和__alloc_pages()都可以分配来自ZONE_HIGHMEM区域的物理页，主要看gfp_mask指定的分配区域；  注意alloc_pages()是宏不是函数；

    __get_free_pages(gfp_mask, order);这个分配函数首先是判断gfp_mask，如果指定为ZONE_HIGHMEM分配区域，则失败退出；否则，就调用alloc_pages()函数；由此看出__get_free_pages()函数只能分配ZONE_DMA和ZONE_NORMAL区域的物理页，也就是说不需要修改页表；

简单的分配物理页接口函数就这两个，其他的都是些变种，根据gfp_mask，和order来实现的变种函数；

注意：这是分配多个的连续的物理页的函数接口，kmalloc、vmalloc函数分配的不一定是整个页大小的内存；

转载地址：http://blog.csdn.net/yuzhihui_no1/article/details/47284329

如果讲解的不正确，欢迎指正，谢谢！！