Linux内核学习笔记——内核内存管理方式

一 页

内核把物理页作为内存管理的基本单位；内存管理单元（MMU）把虚拟地址转换为物理

地址，通常以页为单位进行处理。MMU以页大小为单位来管理系统中的也表。

32位系统：页大小4KB

64位系统：页大小8KB

内核用相应的数据结构表示系统中的每个物理页：

　　<linux/mm_types.h>

　　struct page {}

内核通过这样的数据结构管理系统中所有的页，因此内核判断一个页是否空闲，谁有拥有这个页

，拥有者可能是：用户空间进程、动态分配的内核数据、静态内核代码、页高速缓存……

系统中每一个物理页都要分配这样一个结构体，进行内存管理。

二 区

Linux内存寻址存在问题：

一些硬件只能用某些特定的内存来执行DMA（直接内存访问）

一些体系结构其内存的物理寻址范围必须你寻址范围大得多。这样导致一些内存不能永久映射到内核空间上。

通常32位Linux内核地址空间划分0~3G为用户空间，3~4G为内核空间。当内核模块代码或线程访问内存时，

代码中的内存地址都为逻辑地址，而对应到真正的物理内存地址，需要地址一对一的映射。因此内核空间地址为3~4G，

最多只能映射到1G空间的内存，超出1G大小的内存将如何去问呢！

由于存在上述条件的限制。Linux将内核空间地址划分为三个区：

ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和ZONE_HIGHMEM。

ZONE_HIGHMEM即为高端内存，这就是内存高端内存概念的由来。

在x86结构中，三种类型的区域如下：

　　ZONE_DMA        内存开始的16MB

　　ZONE_NORMAL       16MB~896MB

　　ZONE_HIGHMEM       896MB ~ 结束

同样每个区包含众多页，形成不同内存池，按照用途进行内存分配。

用相应的数据结构来表示区：

　　<linux/mmzone.h>

　　struct zone {}

三 获取页/内存

static inline struct page *alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)

该函数分配2的order次方个连续的物理页，返回指向第一个页的page结构体指针。

void *page_address(const struct page *page)

返回指向给定物理页当前所在的逻辑地址

extern unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order);

extern unsigned long get_zeroed_page(gfp_t gfp_mask);

释放：

extern void __free_pages(struct page *page, unsigned int order);

extern void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order);

内存的分配可能失败，内存的释放要准确！

1 kmalloc

kmalloc()函数与用户空间malloc一组函数类似，获得以字节为单位的一块内核内存。

void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags)

void kfree(const void *objp)

分配内存物理上连续。

gfp_t标志：表明分配内存的方式。如：

GFP_ATOMIC：分配内存优先级高，不会睡眠

GFP_KERNEL：常用的方式，可能会阻塞。

2 vmalloc    

void *vmalloc(unsigned long size)

void vfree(const void *addr)

vmalloc()与kmalloc方式类似，vmalloc分配的内存虚拟地址是连续的，而物理地址则无需连续，与用户空间分配函数一致。

vmalloc通过分配非连续的物理内存块，在修正页表，把内存映射到逻辑地址空间的连续区域中，虚拟地址是连续的。

是否必须要连续的物理地址和具体使用场景有关。在不理解虚拟地址的硬件设备中，内存区都必须是连续的。

通过建立页表转换成虚拟地址空间上连续，肯定存在一些消耗，带来性能上影响。

所以通常内核使用kmalloc来申请内存，在需要大块内存时使用vmalloc来分配。

四 slab层

内核中经常进行内存的分配和释放。为了便于数据的频繁分配和回收，通常建立一个空

闲链表——内存池。当不使用的已分配的内存时，将其放入内存池中，而不是直接释放掉。

Linux内核提供了slab层来管理内存的分配和释放。

频繁分配和回收必然导致内存碎片，缓存他们.

slab层得设计实现

slab层把不同的对象划分为所谓的高速缓存组。每个高速缓存组存放不同类型的对象。高速缓存划分为slab，

slab由一个或多个物理上连续的页组成。每个slab处于三种状态之一：满，部分满，空。

高速缓存，slab，对象之间的关系：

　　　　 

与传统的内存管理模式相比， slab 缓存分配器提供了很多优点。首先，内核通常依赖于对小对象的分配，

它们会在系统生命周期内进行无数次分配。slab 缓存分配器通过对类似大小的对象进行缓存而提供这种功能，

从而避免了常见的碎片问题。slab 分配器还支持通用对象的初始化，从而避免了为同一目而对一个对象重复

进行初始化。最后，slab 分配器还可以支持硬件缓存对齐和着色，这允许不同缓存中的对象占用相同的缓存行，

从而提高缓存的利用率并获得更好的性能。

slab数据结构和接口：

每个高速缓存用kmem_cache结构来表示：

struct kmem_cache {

struct kmem_list3 **nodelists;

……

}

缓存区包含三种slab：满，未满，空闲

struct kmem_list3 {

struct list_head slabs_partial; /* partial list first, better asm code */

struct list_head slabs_full;

struct list_head slabs_free;

……

};

每一个slab包含多个对象：

struct slab {

struct list_head list;

unsigned long colouroff;

void *s_mem;            /* including colour offset */

unsigned int inuse;     /* num of objs active in slab */

kmem_bufctl_t free;

unsigned short nodeid;

};

相关接口：mm/slab.c

内核函数 kmem_cache_create 用来创建一个新缓存。这通常是在内核初始化时执行的，或者在首次加载内核模块时执行。

struct kmem_cache *kmem_cache_create (

　　const char *name,

　　size_t size,

　　size_t align,

　　unsigned long flags,

　　void (*ctor)(void *))

name 参数定义了缓存名称，proc 文件系统（在 /proc/slabinfo 中）使用它标识这个缓存。

size 参数指定了为这个缓存创建的对象的大小，

align 参数定义了每个对象必需的对齐。

flags 参数指定了为缓存启用的选项：

　　kmem_cache_create 的部分选项（在 flags 参数中指定）

　　SLAB_RED_ZONE    在对象头、尾插入标志，用来支持对缓冲区溢出的检查。

　　SLAB_POISON  使用一种己知模式填充 slab，允许对缓存中的对象进行监视（对象属对象所有，不过可以在外部进行修改）。

　　SLAB_HWCACHE_ALIGN      指定缓存对象必须与硬件缓存行对齐。

ctor 和 dtor 参数定义了一个可选的对象构造器和析构器。构造器和析构器是用户提供的回调函数。当从缓存中分配新对象时，可以通过构造器进行初始化。

　　　　要从一个命名的缓存中分配一个对象，可以使用 kmem_cache_alloc 函数。

void kmem_cache_alloc( struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags );

这个函数从缓存中返回一个对象。注意如果缓存目前为空，那么这个函数就会调用 cache_alloc_refill 向缓存中增加内存。

kmem_cache_alloc 的 flags 选项与 kmalloc 的

cachep：所建立的缓存区

flags参数：

　　GFP_USER 为用户分配内存（这个调用可能会睡眠）。

　　GFP_KERNEL    从内核 RAM 中分配内存（这个调用可能会睡眠）。

　　GFP_ATOMIC   使该调用强制处于非睡眠状态（对中断处理程序非常有用）。

　　GFP_HIGHUSER      从高端内存中分配内存。

五 高端内存的映射

永久映射：可能会阻塞

　　映射一个给定的page结构到内核地址空间：

　　void *kmap(struct page *page)

　　解除映射：

　　void kunmap(struct page *page)

临时映射：不会阻塞

void *kmap_atomic(struct page *page)

六 分配函数的选择

　　l  连续的物理页：kmalloc或者低级页分配器

　　l  高端内存分配：alloc_pages 指向page结构指针，不是逻辑地址指针。再通过kmap()把高端地址内存映射到内核的逻辑地址空间。

　　l  无需连续物理地址：vmalloc 虚拟地址连续物理地址可能不连续，相对存在性能损失

　　l  频繁创建和销毁很多较大数据结构：建立slab缓存区，提高对象分配和回收性能。

Linux高端内存：
　　http://ilinuxkernel.com/?p=1013
Linux slab 分配器剖析:
　　https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-linux-slab-allocator/