Linux 处理内存分配通过创建一套固定大小的内存对象池.

分配请求被这样来处理, 进入一个持有足够大的对象的池子并且将整个内存块递交给请求者.

驱动开发者应当记住的一件事情是, 内核只能分配某些预定义的, 固定大小的字节数组.

如果你请求一个任意数量内存, 你可能得到稍微多于你请求的, 至多是 2 倍数量.

同样, 程序员应当记住 kmalloc 能够处理的最小分配是 32或者 64字节, 依赖系统的体系所使用的页大小.

kmalloc 能够分配的内存块的大小有一个上限. 这个限制随着体系和内核配置选项而变化.

如果你的代码是要完全可移植,它不能指望可以分配任何大于 128 KB.

如果你需要多于几个 KB,但是,有个比 kmalloc更好的方法来获得内存，__get_free_pages(), 直接分配页。

在设备驱动程序或者内核模块中动态开辟内存，不是用malloc，而是kmalloc ,vmalloc，或者用get_free_pages直接申请页。

释放内存用的是kfree,vfree，或free_pages. kmalloc函数返回的是虚拟地址(线性地址).

kmalloc特殊之处在于它分配的内存是物理上连续的,这对于要进行DMA的设备十分重要.

而用vmalloc分配的内存只是线性地址连续,物理地址不一定连续,不能直接用于DMA.

注意kmalloc最大只能开辟128k-16，16个字节是被页描述符结构占用了。

内存映射的I/O口，寄存器或者是硬件设备的RAM(如显存)一般占用F0000000以上的地址空间,在驱动程序中不能直接访问，要通过kernel函数vremap获得重新映射以后的地址。

另外，很多硬件需要一块比较大的连续内存用作DMA传送。这块内存需要一直驻留在内存，不能被交换到文件中去。但是kmalloc最多只能开辟大小为32XPAGE_SIZE的内存,一般的PAGE_SIZE=4kB,也就是128kB的大小的内存。

1.kmalloc 函数

kmalloc内存分配和malloc相似，除非被阻塞否则他执行的速度非常快，而且不对获得空间清零.

说明：在用kmalloc申请函数后，要对齐清零，通常用memset()函数对申请的内存进行清零。

kmalloc函数原型：

#include<linux/slab.h>

Void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);

第一个参数是要分配的块的大小

第二个参数是分配标志（flags）.

返回一个指向该内存块的指针， 出错时，返回NULL。除非没有足够的内存，否则内核总能分配成功。

例：

struct dog *p;

p = kmalloc(sizeof(struct dog), GFP_KERNEL);

if(!p){

     //处理内存分配错误时的应对措施。

}

2. gfp_t flags: 他提供了多种kmalloc的行为。

最常用的是GFP_KERNEL，表示内存分配是运行在内核空间的进程执行的。

内存分配最终总是调用get_free_pages来实现的，这就是GFP前缀的由来。

GFP_ATOMIC

用来从中断处理和进程上下文之外的其他代码中分配内存. 从不睡眠.

如果在进程上下文中如：中断处理程序、tasklet以及内核定时器中这种情况下，current进程不该睡眠，驱动程序该使用GFP_ATOMIC.

GFP_KERNEL

内核内存的正常分配. 可能睡眠.

使用GFP_KERNEL容许kmalloc在分配空闲内存时候如果内存不足容许把当前进程睡眠以等待。因此这时分配函数必须是可重入的。

GFP_USER

用来为用户空间页来分配内存; 它可能睡眠.

GFP_HIGHUSER

如同 GFP_USER, 但是从高端内存分配, 如果有. 高端内存在下一个子节描述.

__GFP_FS

表示分配器可以启动文件系统I/O。

__GFP_IO

表示分配器可以启动磁盘I/O.

GFP_NOFS,GFP_NOIO

这个标志功能如同 GFP_KERNEL, 但是它们增加限制到内核能做的来满足请求. 一个 GFP_NOFS 分配不允许进行任何文件系统调用, 而 GFP_NOIO 根本不允许任何 I/O 初始化. 它们主要地用在文件系统和虚拟内存代码, 那里允许一个分配睡眠, 但是递归的文件系统调用会是一个坏注意.

2.1 上面列出的这些分配标志可以是下列标志的相或来作为参数, 这些标志改变这些分配如何进行:

__GFP_DMA

这个标志要求分配在能够 DMA 的内存区. 确切的含义是平台依赖的并且在下面章节来解释.

__GFP_HIGHMEM

这个标志指示分配的内存可以位于高端内存.

__GFP_COLD

这个标志请求一个"冷"页, 告诉分配器应该使用高速缓存中快要被淘汰出去的页。

__GFP_NOWARN

这个标志作用：当一个分配无法满足时，阻止内核来发出警告(使用 printk ),即不打印失败警告。

__GFP_HIGH

这个标志标识了一个高优先级请求, 它被允许来消耗甚至被内核保留给紧急状况的最后的内存页.

2.2 下面三个标志修改分配器如何动作, 当它有困难满足一个分配.

__GFP_REPEAT

意思是" 更尽力些尝试" 通过重复尝试 -- 但是分配可能仍然失败.

__GFP_NOFAIL

标志告诉分配器不要失败; 它尽最大努力来满足要求. 使用 __GFP_NOFAIL 是强烈不推荐的; 可能从不会有有效的理由在一个设备驱动中使用它.

__GFP_NORETRY

告知分配器立即放弃如果得不到请求的内存.

2.2 内存区段 --- ZONE:

__GFP_DMA和__GFP_HIGHMEM的使用与平台相关。

Linux把内存分成3个区段：可用于DMA的内存、常规内存、以及高端内存。

X86平台上ISA设备DMA区段是内存的前16MB，而PCI设备无此限制。

内存区后面的机制在 mm/page_alloc.c 中实现, 而内存区的初始化在平台特定的文件中, 常常在 arch 目录树的 mm/init.c。

2.3. 什么时候用什么标志：

进程上下文，可以睡眠  --- 使用 GFP_KERNEL

进程上下文，不可以睡眠 --- 使用 GFP_ATOMIC

中断处理程序 --- 使用 GFP_ATOMIC

软中断 --- 使用 GFP_ATOMIC

tasklet --- 使用 GFP_ATOMIC

需要用于DMA 的内存，可以睡眠 --- 使用 （GFP_KERNEL | GFP_DMA）

需要用于DMA的内存，不可以睡眠 --- 使用 （GFP_ATOMIC | GFP_DMA）

3. kfree()

void kfree(const void *ptr);

释放由kmalloc（）分配的内存块。 ptr是kmalloc的返回值指针。

例子：

#define BUF_SIZE 1024

char *buf;

buf = kmalloc(BUF_SIZE, GFP_KERNEL)
if(!buf){
    /* 内存分配出错处理程序 */
}

...

kfree(buf);

4. vmalloc() / vfree()：

4.1 void *vmalloc(unsigned long size);

该函数返回一个指针，指向虚拟内存中连续的一块内存区。

其大小至少为size。

发生错误时返回NULL。

该函数可能睡眠，因此，不能再中断上下文中进行调用，也不能在不允许阻塞的情况下调用。

4.2 void *vfree(const void *addr);

这个函数会释放从 addr 开始的内存块，其中addr 是由之前 vmalloc（）分配的内存块地址。

这个函数也可能睡眠，因此不能在中断上下文中调用。

例子：

char *buf;

buf = vmalloc(16 * PAGE_SIZE);
if(!buf){
    /* 错误处理代码 */
}

...

vfree(buf);

5.kmalloc和vmalloc的比较

• vmalloc()与 kmalloc()都可用于分配内存.

• kmalloc()分配的内存处于3GB~high_memory之 间,这段内核空间与物理内存的映射一一对应

•vmalloc()分配的内存在 VMALLOC_START~4GB之间,这段非连续内 存区映射到物理内存也可能是非连续的

• 在内核空间中调用kmalloc()分配连续物理空间,而调用vmalloc()分配非物理连续空间。

• 把kmalloc()所分配内核空间中的地址称为内核逻辑地址

• 把vmalloc()分配的内核空间中的地址称 为内核虚拟地址

• vmalloc()在分配过程中须更新内核页表

总结：

1.kmalloc和vmalloc分配的是内核的内存,malloc分配的是用户的内存

2.kmalloc保证分配的内存在物理上是连续的,kmalloc()分配的内存在0xBFFFFFFF－0xFFFFFFFF以上的内存中，driver一般是用它来完成对DS的分配，更适合于类似设备驱动的程序来使用；

3.vmalloc保证的是在虚拟地址空间上的连续，vmalloc()则是位于物理地址非连续，虚地址连续区，起始位置由VMALLOL_START来决定，一般作为交换区、模块的分配。用户空间多用这个函数来分配内存。

3.kmalloc能分配的大小有限,vmalloc和malloc能分配的大小相对较大（因为vmalloc还可以处理交换空间）。

4.内存只有在要被DMA访问的时候才需要物理上连续，vmalloc比kmalloc要慢

5.vmalloc使用的正确场合是分配一大块，连续的，只在软件中存在的，用于缓冲的内存区域。不能在微处理器之外使用。

6.vmalloc 中调用了 kmalloc （GFP—KERNEL），因此也不能应用于原子上下文。

7.kmalloc和 kfree管理内核段内分配的内存，这是真实地址已知的实际物理内存块。

8.vmalloc对应于vfree，分配连续的虚拟内存，但是物理上不一定连续。

9.kmalloc分配内存是基于slab，因此slab的一些特性包括着色，对齐等都具备，性能较好。物理地址和逻辑地址都是连续的

10. kmalloc 通常分配以字节为单位的一段连续内存，如果需要更大的，如以页为单位的内存，需要使用alloc_pages()/__get_free_pages()等以页问操作单位的函数。