Linux內(nèi)存申請是怎樣的

本篇內(nèi)容主要講解“Linux內(nèi)存申請是怎樣的”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實用性強。下面就讓小編來帶大家學(xué)習(xí)“Linux內(nèi)存申請是怎樣的”吧!

先上基礎(chǔ)，下圖是Linux的內(nèi)存映射模型

• 每一個進程都有自己的進程空間，進程空間的0-3G是用戶空間，3G-4G是內(nèi)核空間

• 每個進程的用戶空間不在同一個物理內(nèi)存頁，但是所有的進程的內(nèi)核空間對應(yīng)同樣的物理地址

• vmalloc分配的地址可以高端內(nèi)存，也可以是低端內(nèi)存

• 0-896MB的物理地址是線性映射到物理映射區(qū)的。  

內(nèi)存動態(tài)申請

和應(yīng)用層一樣，內(nèi)核程序也需要動態(tài)的分配內(nèi)存，不同的是，內(nèi)核進程可以控制分配的內(nèi)存是在用戶空間還是內(nèi)核空間，前者可以用于給用戶空間的堆區(qū)分配內(nèi)存，eg，用戶進程的用戶空間的malloc最終就會通過系統(tǒng)調(diào)用回調(diào)內(nèi)核空間的內(nèi)存分配函數(shù)，此時該內(nèi)存分配函數(shù)就屬于該用戶進程，可以給在該用戶進程的堆區(qū)分配空間并返回，最終使得一個用會進程在自己的用戶空間獲得內(nèi)存分配;后者只在內(nèi)核空間分配，所以用戶進程不能直接訪問該空間，所以多用在滿足內(nèi)核程序自身的內(nèi)存需求，下面是Linux內(nèi)核空間申請內(nèi)存常用API：

kmalloc - kfree

kmalloc申請的內(nèi)存在物理內(nèi)存上是連續(xù)的，他們與真實的物理地址只有一個固定的偏移，因此存在簡單的轉(zhuǎn)換關(guān)系。這個API 多用來申請不到一個page大小的內(nèi)存。kmalloc的底層需要調(diào)用__get_free_pages，參數(shù)中表示內(nèi)存類型的gtp_t flags正是這個函數(shù)的縮寫，常用的內(nèi)存類型有GFP_USER,GFP_KERNEL,GFP_ATOMIC幾種。

• GFP_USER表示為用戶空間頁分配內(nèi)存，可以阻塞;

• GFP_KERNEL是最常用的flag，注意，使用這個flag來申請內(nèi)存時，如果暫時不能滿足，會引起進程阻塞，So，一定不要在中斷處理函數(shù)，tasklet和內(nèi)核定時器等非進程上下文中使用GFP_KERNEL!!!

• GFP_ATOMIC就可以用于上述三種情境,這個flag表示如果申請的內(nèi)存不能用，則立即返回。

/**  * kmalloc - allocate memory  * @size: how many bytes of memory are required.  * @flags: the type of memory to allocate.  * The @flags argument may be one of:  * %GFP_USER - Allocate memory on behalf of user.  May sleep.  * %GFP_KERNEL - Allocate normal kernel ram.  May sleep.  * %GFP_ATOMIC - Allocation will not sleep.  May use emergency pools.  *   * For example, use this inside interrupt handlers.  */ void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags); /**  * kfree - free previously allocated memory  * @objp: pointer returned by kmalloc.  * If @objp is NULL, no operation is performed.  */ void kfree(const void *objp);

同系列API還有

void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags)

__get_free_pages - free_pages

__get_free_pages()與kmalloc()一樣是物理連續(xù)的內(nèi)存，這一系列函數(shù)是Linux內(nèi)核中***層的用于獲取空閑內(nèi)存的方法，因為底層的buddy算法都是以(2^n)×PAGE_SIZE來管理內(nèi)存的，所以他們總是以頁為單位分配內(nèi)存的

unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)  void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order)

同系列API還有

unsigned long __get_free_page(gfp_t gfp)        unsigned long get_zeroed_page(gfp_t gfp_mask)    struct page *alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)

void free_page(unsigned long addr)

vmalloc - vfree

vmalloc在虛擬內(nèi)存空間給出一塊連續(xù)的內(nèi)存區(qū)，實質(zhì)上，這片連續(xù)的虛擬內(nèi)存在物理內(nèi)存中并不一定連續(xù)，所以vmalloc申請的虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存之間也就沒有簡單的換算關(guān)系，正因如此，vmalloc()通常用于分配遠大于__get_free_pages()的內(nèi)存空間，它的實現(xiàn)需要建立新的頁表，此外還會調(diào)用使用GFP_KERN的kmalloc，so，一定不要在中斷處理函數(shù)，tasklet和內(nèi)核定時器等非進程上下文中使用vmalloc!

/**       * vmalloc  -  allocate virtually contiguous memory  * @size:          allocation size  * Allocate enough pages to cover @size from the page level allocator and map them into contiguous kernel virtual space.  */void *vmalloc(unsigned long size)   /**  *      vfree  -  release memory allocated by vmalloc()  *      @addr:          memory base address  */void vfree(const void *addr)

同系列的API還有

/**  * vmalloc_32  -  allocate virtually contiguous memory (32bit addressable)  * @size:          allocation size  * Allocate enough 32bit PA addressable pages to cover @size from the page level allocator and map them into contiguous kernel virtual space.  */void *vmalloc_32(unsigned long size)

slab緩存

我們知道，頁是內(nèi)存映射的基本單位，但內(nèi)核中很多頻繁創(chuàng)建的對象所需內(nèi)存都不到一頁，此時如果仍然按照頁映射的方式，頻繁的進行分配和釋放就會造成資源的浪費，同時也會降低系統(tǒng)性能。為了解決的這樣的問題，內(nèi)核引入了slab機制，使對象在前后兩次被使用時被分配在同一塊內(nèi)存或同一類內(nèi)存空間，且保留了基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就可以大大提高效率。kmalloc的底層即是使用slab算法管理分配的內(nèi)存的。注意，slab依然是以頁為單位進行映射，只是映射之后分割這些頁為相同的更小的單元，從而節(jié)省了內(nèi)存。slab分配的單元不能小于32B或大于128K。

/**  * kmem_cache_create - 創(chuàng)建slab緩存對象  * @name:slab緩存區(qū)名字，  * @size:slab分配的緩存區(qū)的每一個單元的大小  * @align:緩存區(qū)內(nèi)存的對齊方式，一般給0  * @flags:控制分配的位掩碼，  * %SLAB_POISON - Poison the slab with a known test pattern (a5a5a5a5) to catch references to uninitialised memory.  * %SLAB_RED_ZONE - Insert `Red' zones around the allocated memory to check for buffer overruns.  * %SLAB_HWCACHE_ALIGN - Align the objects in this cache to a hardware cacheline.  This can be beneficial if you're counting cycles as closely as davem.  * %SLAB_CACHE_DMA - Use GFP_DMA memory  * %SLAB_STORE_USER - Store the last owner for bug hunting  *define SLAB_PANIC - Panic if kmem_cache_create() fails   */struct kmem_cache *kmem_cache_create(const char *name, size_t size, size_t align,unsigned long flags, void (*ctor)(void *))/**  * kmem_cache_alloc - Allocate an object from this cache.   * @cachep: The cache to allocate from.  * @flags: See kmalloc().  * The flags are only relevant if the cache has no available objects.  */void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags)  /**  * kmem_cache_free - Deallocate an object  * @cachep: The cache the allocation was from.  * @objp: The previously allocated object.  * Free an object which was previously allocated from this cache.  */void kmem_cache_free(struct kmem_cache *cachep, void *objp)  void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *s)

范例

//創(chuàng)建slab對象  struct kmem_cache_t *xj_sbcache; xj_sbcache = kmem_cache_create("xjslab",sizeof(struct xj_unit_t),0,SLAB_CACHE_DMA|SLAB_PANIC，NULL,NULL);//分配slab緩存  struct xj_unit_t *xj_unit; xj_unit = kmem_cache_alloc(xj_sbcache,GFP_KERNEL); /* 使用slab緩存 */ /* 釋放slab緩存 */  kmem_cache_free(xj_sbcache, xj_unit); /* 銷毀slab緩存 */  kmem_cache_destroy(xj_sbcache);

內(nèi)存池

除了slab機制，內(nèi)核還提供了傳統(tǒng)的內(nèi)存池機制來管理小塊內(nèi)存的分配。內(nèi)存池主要是用來解決可能出現(xiàn)的內(nèi)存不足的情況，因為一個內(nèi)存池在創(chuàng)建的時候就已經(jīng)分配好了一內(nèi)存，當我們用mempool_alloc向一個已經(jīng)創(chuàng)建好的內(nèi)存池申請申請內(nèi)存時，該函數(shù)首先會嘗試回調(diào)內(nèi)存池創(chuàng)建時的分配內(nèi)存函數(shù)，如果已經(jīng)沒有內(nèi)存可以分配，他就會使用內(nèi)存池創(chuàng)建時預(yù)先分配的內(nèi)存，這樣就可以避免因為無內(nèi)存分配而陷入休眠，當然，如果預(yù)分配的內(nèi)存也已經(jīng)使用完畢，還是會陷入休眠。slab機制的目的是提高內(nèi)存使用率以及內(nèi)存管理效率，內(nèi)存池的目的是避免內(nèi)存的分配失敗。下面是內(nèi)核中提供的關(guān)于內(nèi)存池的API

/**       * mempool_create - create a memory pool  * @min_nr:    the minimum number of elements guaranteed to be  allocated for this pool.  * @alloc_fn:  user-defined element-allocation function.  * @free_fn:   user-defined element-freeing function.  * @pool_data: optional private data available to the user-defined functions.  *                * this function creates and allocates a guaranteed size, preallocated memory pool. The pool can be used from the mempool_alloc() and mempool_free() functions.   * This function might sleep. Both the alloc_fn() and the free_fn() functions might sleep - as long as the mempool_alloc() function is not called from IRQ contexts.  */ mempool_t *mempool_create(int min_nr, mempool_alloc_t *alloc_fn, mempool_free_t *free_fn, void *pool_data)  /**       * mempool_alloc - allocate an element from a specific memory pool  * @pool:pointer to the memory pool which was allocated via mempool_create().  * @gfp_mask:  the usual allocation bitmask.  * this function only sleeps if the alloc_fn() function sleeps or returns NULL. Note that due to preallocation, this function never* fails when called from process contexts. (it might fail if called from an IRQ context.)  */      void * mempool_alloc(mempool_t *pool, gfp_t gfp_mask)      /**  * mempool_free - return an element to the pool.  * @element:   pool element pointer.  * @pool:pointer to the memory pool which was allocated via mempool_create().  *  * this function only sleeps if the free_fn() function sleeps.  */      void mempool_free(void *element, mempool_t *pool)      /**  * mempool_destroy - deallocate a memory pool  * @pool:pointer to the memory pool which was allocated via mempool_create().  *  * Free all reserved elements in @pool and @pool itself.  This function only sleeps if the free_fn() function sleeps.  */      void mempool_destroy(mempool_t *pool)

到此，相信大家對“Linux內(nèi)存申請是怎樣的”有了更深的了解，不妨來實際操作一番吧！這里是億速云網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進入相關(guān)頻道進行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！