linux教程之Linux内核中罕见内存分派函数先容

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1.道理申明
　　Linux内核中采用了一种同时合用于32位和64位体系的内存分页模子，关于32位体系来讲，两级页表充足用了，而在x86_64系统中，用到了四级页表，如-1所示。四级页表分离为：
　　*页全局目次(PageGlobalDirectory)
　　*页下级目次(PageUpperDirectory)
　　*页两头目次(PageMiddleDirectory)
　　*页表(PageTable)
　　页全局目次包括多少页下级目次的地点，页下级目次又顺次包括多少页两头目次的地点，而页两头目次又包括多少页表的地点，每个页表项指向一个页框。Linux中接纳4KB巨细的页框作为尺度的内存分派单位。
　　多级分页目次布局
　　1.1.同伴体系算法
　　在实践使用中，常常必要分派一组一连的页框，而频仍地请求和开释分歧巨细的一连页框，一定招致在已分派页框的内存块平分散了很多小块的余暇页框。如许，即便这些页框是余暇的，其他必要分派一连页框的使用也很可贵到满意。
　　为了不呈现这类情形，Linux内核中引进了同伴体系算法(buddysystem)。把一切的余暇页框分组为11个块链表，每一个块链表分离包括巨细为1，2，4，8，16，32，64，128，256，512和1024个一连页框的页框块。最年夜能够请求1024个连续页框，对应4MB巨细的一连内存。每一个页框块的第一个页框的物理地点是该块巨细的整数倍。
　　假定要请求一个256个页框的块，先从256个页框的链表中查找余暇块，假如没有，就往512个页框的链表中找，找到了则将页框块分为2个256个页框的块，一个分派给使用，别的一个移到256个页框的链表中。假如512个页框的链表中仍没有余暇块，持续向1024个页框的链表查找，假如仍旧没有，则前往毛病。
　　页框块在开释时，会自动将两个一连的页框块兼并为一个较年夜的页框块。
　　1.2.slab分配器
　　slab分派器源于Solaris2.4的分派算法，事情于物理内存页框分派器之上，办理特定巨细工具的缓存，举行疾速而高效的内存分派。
　　slab分派器为每种利用的内查对象创建独自的缓冲区。Linux内核已接纳了同伴体系办理物理内存页框，因而slab分派器间接事情于同伴系统之上。每种缓冲区由多个slab构成，每一个slab就是一组一连的物理内存页框，被分别成了流动数量的工具。依据工具巨细的分歧，缺省情形下一个slab最多能够由1024个页框组成。出于对齐等别的方面的请求，slab平分配给工具的内存大概年夜于用户请求的工具实践巨细，这会形成必定的内存华侈。
　　2.经常使用内存分派函数
　　2.1.__get_free_pages
　　unsignedlong__get_free_pages(gfp_tgfp_mask,unsignedintorder)
　　__get_free_pages函数是最原始的内存分派体例，间接从同伴体系中猎取原始页框，前往值为第一个页框的肇端地点。__get_free_pages在完成上只是封装了alloc_pages函数，从代码剖析，alloc_pages函数会分派长度为1<<order的一连页框块。order参数的最年夜值由include/Linux/Mmzone.h文件中的MAX_ORDER宏决意，在默许的2.6.18内核版本中，该宏界说为10。也就是说在实际上__get_free_pages函数一次最多能请求1<<10*4KB也就是4MB的一连物理内存。可是在实践使用中，极可能由于不存在这么大批的一连余暇页框而招致分派失利。在测试中，order为10时分派乐成，order为11则前往毛病。
　　2.2.kmem_cache_alloc
　　structkmem_cache*kmem_cache_create(constchar*name,size_tsize,
　　size_talign,unsignedlongflags,
　　void(*ctor)(void*,structkmem_cache*,unsignedlong),
　　void(*dtor)(void*,structkmem_cache*,unsignedlong))
　　void*kmem_cache_alloc(structkmem_cache*c,gfp_tflags)
　　kmem_cache_create/kmem_cache_alloc是基于slab分派器的一种内存分派体例，合用于重复分派开释统一巨细内存块的场所。起首用kmem_cache_create创立一个高速缓存地区，然后用kmem_cache_alloc从该高速缓存地区中猎取新的内存块。kmem_cache_alloc一次能分派的最年夜内存由mm/slab.c文件中的MAX_OBJ_ORDER宏界说，在默许的2.6.18内核版本中，该宏界说为5，因而一次最多能请求1<<5*4KB也就是128KB的一连物理内存。剖析内核源码发明，kmem_cache_create函数的size参数年夜于128KB时会挪用BUG()。测试了局考证了剖析了局，用kmem_cache_create分配凌驾128KB的内存时使内核溃散。
　　2.3.kmalloc
　　void*kmalloc(size_tsize,gfp_tflags)
　　kmalloc是内核中最经常使用的一种内存分派体例，它经由过程挪用kmem_cache_alloc函数来完成。kmalloc一次最多能请求的内存巨细由include/Linux/Kmalloc_size.h的内容来决意，在默许的2.6.18内核版本中，kmalloc一次最多能请求巨细为131702B也就是128KB字节的一连物理内存。测试了局标明，假如试图用kmalloc函数分派年夜于128KB的内存，编译不克不及经由过程。
　　2.4.vmalloc
　　void*vmalloc(unsignedlongsize)
　　后面几种内存分派体例都是物理一连的，能包管较低的均匀会见工夫。可是在某些场所中，对内存区的哀求不是很频仍，较高的内存会见工夫也能够承受，这是就能够分派一段线性一连，物理不一连的地点，带来的优点是一次能够分派较年夜块的内存。-1表示的是vmalloc分派的内存利用的地点局限。vmalloc对一次能分派的内存巨细没有明白限定。出于功能思索，应审慎利用vmalloc函数。在测试过程当中，最年夜能一次分派1GB的空间。
　　Linux内核部份内存散布
　　2.5.dma_alloc_coherent
　　void*dma_alloc_coherent(structdevice*dev,size_tsize,
　　ma_addr_t*dma_handle,gfp_tgfp)
　　DMA是一种硬件机制，同意核心设备和主存之间间接传输IO数据，而不必要CPU的介入，利用DMA机制能年夜幅进步与设备通讯的吞吐量。DMA操纵中，触及到CPU高速缓存和对应的内存数据分歧性的成绩，必需包管二者的数据分歧，在x86_64系统布局中，硬件已很好的办理了这个成绩，dma_alloc_coherent和__get_free_pages函数完成不同不年夜，前者实践是挪用__alloc_pages函数来分派内存，因而一次分派内存的巨细限定和后者一样。__get_free_pages分派的内存一样能够用于DMA操纵。测试了局证实，dma_alloc_coherent函数一次能分派的最年夜内存也为4M。
　　2.6.ioremap
　　void*ioremap(unsignedlongoffset,unsignedlongsize)
　　ioremap是一种更间接的内存“分派”体例，利用时间接指定物理肇端地点和必要分派内存的巨细，然后将该段物理地点映照到内核地点空间。ioremap用到的物理地点空间都是事前断定的，和下面的几种内存分派体例其实不太一样，并非分派一段新的物理内存。ioremap多用于设备驱动，可让CPU间接会见内部设备的IO空间。ioremap能映照的内存由原本的物理内存空间决意，以是没有举行测试。
　　2.7.BootMemory
　　假如要分派大批的一连物理内存，上述的分派函数都不克不及满意，就只能用对照特别的体例，在Linux内核引诱阶段来预留部份内存。
　　2.7.1.在内核引诱时分派内存
　　void*alloc_bootmem(unsignedlongsize)
　　能够在Linux内核引诱过程当中绕过同伴体系来分派年夜块内存。利用办法是在Linux内核引诱时，挪用mem_init函数之前用alloc_bootmem函数请求指定巨细的内存。假如必要在其他中央挪用这块内存，能够将alloc_bootmem前往的内存首地点经由过程EXPORT_SYMBOL导出，然后就能够利用这块内存了。这类内存分派体例的弱点是，请求内存的代码必需在链接到内核中的代码里才干利用，因而必需从头编译内核，并且内存办理体系看不到这部份内存，必要用户自行办理。测试了局标明，从头编译内核后重启，可以会见引诱时分派的内存块。
　　2.7.2.经由过程内核引诱参数预留顶部内存
　　在Linux内核引诱时，传进参数“mem＝size”保存顶部的内存区间。好比体系有256MB内存，参数“mem＝248M”会预留顶部的8MB内存，进进体系后能够挪用ioremap(0xF800000，0x800000)来请求这段内存。
3.几种分派函数的对照

分派道理
最年夜内存
其他
__get_free_pages
间接对页框举行操纵
4MB
合用于分派较大批的一连物理内存
kmem_cache_alloc
基于slab机制完成
128KB
合适必要频仍请求开释不异巨细内存块时利用
kmalloc
基于kmem_cache_alloc完成
128KB
最多见的分派体例，必要小于页框巨细的内存时可使用
vmalloc
创建非一连物理内存到假造地点的映照
物理不一连，合适必要年夜内存，可是对地点一连性没有请求的场所
dma_alloc_coherent
基于__alloc_pages完成
4MB
合用于DMA操作
ioremap
完成已知物理地点到假造地点的映照
合用于物理地点已知的场所，如设备驱动
alloc_bootmem
在启动kernel时，预留一段内存，内核看不见
小于物理内存巨细，内存办理请求较高

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