本文同步自（如浏览不正常请点击跳转）：https://zohead.com/archives/linux-kernel-learning-memory-management/ 接着之前的 Linux kernel 学习步伐，来到极其重要的内存管理部分，继续本文内容，需要先了解内存寻址的基础知识，见之前的 [内存寻址] 博文。 1、内存页及内存区域： 正如之前所说，Linux kernel 使用物理页作为内存管理的基本单位，其中重要的线程地址和物理地址的转换操作由页单元 MMU 来完成，系统的页表也由 MMU 来维护。kernel 使用 struct page 来表示一个物理页，它的定义在 include/linux/mm_types.h 头文件中： 其中的 flags 用于表示页的状态（是否为脏或者被锁定等），_count 即为页的引用计数，kernel 一般使用 page_count 宏调用 atomic_read 函数原子的读取此值，page_count 返回 0 表示此页可用。如果一个页被作为 page cache 使用，则 page 的 mapping 字段指向映射的 inode 的 address_space 对象，如果页被作为私有数据（作为 buffer_heads 缓冲、buddy 系统等），则 private 常包含对应的信息。注意其中的 virtual 字段为页的虚拟地址，结合之前的知识，对于高端内存来说，其并没有被固定映射到 kernel 地址空间中，因此如果 virtual 字段为 NULL，则表示此页必须被动态映射。 kernel 使用 page 结构记录系统中的所有页，因此 struct page 的大小应该要尽量小以减少内存占用，另外 kernel 必须知道页是否空闲，如果不空闲则拥有者是谁。 由于实际硬件限制，Linux kernel 不可能使用全部的物理内存，kernel 为此将内存划分为不同的区域，一个区域中的内存属性应该也相同。kernel 中常见的内存区域有 ZONE_DMA（可用于 DMA 的页）、ZONE_DMA32（与 ZONE_DMA 类似，但只对 32 位设备可用）、ZONE_NORMAL、ZONE_HIGHMEM（并没有被固定映射的高端内存区域），这些内存区域一般都是硬件相关的，例如在 x86 架构下，ZONE_DMA 的范围为 0MB - 16MB，ZONE_HIGHMEM 为高于 896MB 的物理内存，而在 x86_64 架构下 ZONE_HIGHMEM 则为空。需要注意的是内存的分配不会跨域这些不同的内存区域。内存区域在 kernel 中由 struct zone 结构来表示，其中的 name 字段即为内存区域名称。 2、获取页： 分配和释放内存是 Linux kernel 中极其重要又用的极多的接口。先看看 kernel 提供的直接获取以内存页面为单位的 alloc_pages 函数： struct page * alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order) 此函数是最基本的用于分配大小为 2^order 并且连续的物理页的函数，其返回分配到的第一个页面的 page 指针。 来看看比较重要的 gfp_t 类型的 gfp_mask 值： gfp_t 实际上就是 unsigned int 类型，gfp_mask 常用于指定行为方式、区域方式、类型等信息。常见的行为方式标志有：__GFP_WAIT（标志分配器可以睡眠，明显不适用于中断上下文中）、__GFP_IO（分配器可以启动磁盘 I/O）等。区域方式指定内存从哪里分配，对应的就有：__GFP_DMA、__GFP_DMA32、__GFP_HIGHMEM（从高端内存或普通内存中分配）。类型标志则用于简化分配时的指定操作，常见的有：GFP_ATOMIC（高优先级并不可睡眠，常用于中断、中断下半部、持有自旋锁等环境中）、GFP_NOIO（表示分配可中断但不可以发起 I/O 操作）、GFP_NOFS（分配时不可发起文件 I/O 操作）、GFP_KERNEL（最常见的分配标志，常用于可以睡眠的进程上下文中）、GFP_USER（用于分配内存给用户进程）、GFP_DMA 等。 需要注意的是对 __get_free_pages 和 kmalloc 函数（下面会分别说明）不能指定 __GFP_HIGHMEM 标志，因为它们都是直接返回的虚拟地址，而非 page 结构指针，如果指定了 __GFP_HIGHMEM，则他们可能分配到的内存并没有被映射到 kernel 地址空间，因此这样得不到虚拟地址。只有 alloc_page 函数可以分配高端内存，这个限制在下面的 __get_free_pages 函数的实现中可以看到。 使用 page_address 函数可以将 page 指针转换为虚拟地址（非物理地址）。实际使用中经常会用到 __get_free_pages 函数直接在分配页时直接得到虚拟地址，其参数为 alloc_pages 完全一样，看看它的实现就一目了然了： 另外 kernel 还 “好心” 的提供了两个只分配一个页的函数：alloc_page 和 __get_free_page，可以想象只是把 order 参数设为 0 而已。你可以使用 get_zeroed_page 函数分配一个页并自动清零（gfp_mask 指定 __GFP_ZERO）。 对应的释放页可以用 __free_pages（page 指针为参数）、free_pages（虚拟地址为参数）、free_page（只释放一个页）这些函数。 下面是常用的分配非整数倍页大小的内存的函数。首先是最常用的 kmalloc 函数： void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags) kmalloc 用于分配最少指定的 size 字节大小的内存（实际分配的可能比 size 多），这与用户空间的 malloc 函数很相似，但需要注意的是 kmalloc 分配的内存物理地址是连续的，这非常重要。 相应的释放内存函数是 kfree： void kfree(const void *objp) kfree 用于释放 kmalloc 分配的内存，注意如果使用 kfree 在不是的 kmalloc 分配的内存地址或者已经 kfree 过的地址上，都可能导致 kernel 出错。 紧接着就是大名鼎鼎的 vmalloc 函数了。它与 kmalloc 类似，但它分配的内存只是虚拟连续的而物理地址却不一定连续，这也类似于用户空间的 malloc 函数的效果。vmalloc 由于需要做页表转换之类的操作，性能比 kmalloc 差，而且 vmalloc 得到的页还必须由单独的页来做映射，对 TLB 缓存的效率也会有影响（有关 TLB 缓存参考之前的文章 [内存寻址]），由于这些原因，vmalloc 在 kernel 中用到的机会并不是很多，其常用于分配大量的内存，常见的一个例子就是内核模块的代码就是通过 vmalloc 加载到 kernel 中的。vmalloc 的原型为： void * vmalloc(unsigned long size) 与之对应的，使用 vfree 释放分配的内存。另外 vmalloc 和 vfree 都是可以睡眠的，因此它们对中断上下文是不适用的。 3、Slab分配器： Slab 也是 Linux kernel 中非常重要的组成部分，它用于简化内存的分配和释放，它相当于一个可用内存列表，里面包含一堆已经分配好的数据结构，当 kernel 需要分配一个数据结构时，可以直接从这个可用内存列表中取出而节省分配的时间，不需要的时候又可以还给这个列表而不需要释放，因此这个列表用于缓存经常访问的某种类型的数据。为了统一管理和释放，Linux kernel 引入 Slab 分配器作为通用的数据结构缓存层给经常访问的数据结构使用。需要说明的是 kmalloc 就是在 Slab 分配器基础上实现的。 这里简单对 Slab 分配器做个介绍，有关其细节请参考这篇 PDF 文档： The Slab Allocator: An Object-Caching Kernel Memory Allocator Slab 层将不同的对象划分到名为 cache 的不同组中，每个组存储不同类型的数据，也就是每种数据类型都有一个 cache。每个 cache 然后被划分为多个 slab，slab 由一个或多个连续的物理页组成（通常只有一个页），每个 slab 又包含一些数量的对象，也就是实际缓存的数据。每个 slab 的状态可以是这三个中的一个：满、部分满、空。当 kernel 请求一个新对象时，优先从状态为 部分满 的 slab 中取，如果没有则从状态为 […]