Memory Allocation API In Linux Kernel && Linux Userspace、kmalloc vmalloc Difference、Kernel Large Section Memory Allocation

目录

1. 内核态(ring0)内存申请和用户态(ring3)内存申请
2. 内核态(ring0)内存申请：kmalloc/kfree、vmalloc/vfree
3. 用户态(ring3)内存申请：malloc/free
4. 内核内存申请原则
5. 内核中分配物理地址连续的大段内存

1. 内核态(ring0)内存申请和用户态(ring3)内存申请 

0x1: 差异点

在内核中申请内存和在用户空间中申请内存不同，有以下因素引起了复杂性，包括

1. 内核的虚拟和物理地址被限制到1GB 
2. 内核的内存不能PAGEABLE
3. 内核通常需要连续的物理地址 
4. 通常内核申请内存是不能睡眠 
5. 内核中的错误比其他地方的错误有更多的代价

内核态的内存申请API和用户态的内存申请API使用方法很类似，所不同的是，因为内核态常驻运行的特殊性，内核的内存申请在可交换型、空间连续性方面会有一些差别，我们接下来深入学习一下它们

Relevant Link:

http://blog.csdn.net/newfeicui/article/details/6437917

2. 内核态(ring0)内存申请：kmalloc/kfree、vmalloc/vfree

0x1: kmalloc函数原型

linux-3.15.5includelinuxslab.h

void *__kmalloc(size_t size, gfp_t flags);

参数说明，linux-3.15.5includelinuxgfp.h

1. size_t size: 要分配的块的大小
2. gfp_t flags: 分配标志(flags)，用于指定kmalloc的行为 
    1) ___GFP_DMA: #define ___GFP_DMA 0x01u: 要求分配在能够 DMA 的内存区
    2) ___GFP_HIGHMEM: #define ___GFP_HIGHMEM 0x02u: 指示分配的内存可以位于高端内存
    3) ___GFP_DMA32: #define ___GFP_DMA32 0x04u: 
    4) ___GFP_MOVABLE: #define ___GFP_MOVABLE 0x08u: 
    5) ___GFP_WAIT: #define ___GFP_WAIT 0x10u: Allocation will not sleep.
    6) ___GFP_HIGH: #define ___GFP_HIGH 0x20u: 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
    7) ___GFP_IO: #define ___GFP_IO 0x40u: The allocator can start disk I/O.
    8) ___GFP_FS: #define ___GFP_FS 0x80u: The allocator can start filesystem I/O.
    9) ___GFP_COLD: #define ___GFP_COLD 0x100u: The allocator should use cache cold pages.
    10) ___GFP_NOWARN: #define ___GFP_NOWARN 0x200u: 阻止内核来发出警告(使用 printk )，当一个分配无法满足
    11) ___GFP_REPEAT: #define ___GFP_REPEAT 0x400u: The allocator will repeat the allocation if it fails, but the allocation can potentially fail.
    12) ___GFP_NOFAIL: #define ___GFP_NOFAIL 0x800u: The allocator will indefinitely repeat the allocation. The allocation cannot fail.
    13) ___GFP_NORETRY: #define ___GFP_NORETRY 0x1000u: The allocator will never retry if the allocation fails.
    14) ___GFP_MEMALLOC: #define ___GFP_MEMALLOC 0x2000u: 
    15) ___GFP_COMP: #define ___GFP_COMP 0x4000u: Add compound page metadata. Used internally by the hugetlb code.
    16) ___GFP_ZERO: #define ___GFP_ZERO 0x8000u: 
    17) ___GFP_NOMEMALLOC: #define ___GFP_NOMEMALLOC 0x10000u
    18) ___GFP_HARDWALL #define ___GFP_HARDWALL 0x20000u
    19) ___GFP_THISNODE: #define ___GFP_THISNODE 0x40000u
    20) ___GFP_RECLAIMABLE: #define ___GFP_RECLAIMABLE 0x80000u
    21) ___GFP_KMEMCG: #define ___GFP_KMEMCG 0x100000u
    22) ___GFP_NOTRACK: #define ___GFP_NOTRACK 0x200000u
    23) ___GFP_NO_KSWAPD: #define ___GFP_NO_KSWAPD 0x400000u
    24) ___GFP_OTHER_NODE: #define ___GFP_OTHER_NODE 0x800000u
    25) ___GFP_WRITE: #define ___GFP_WRITE 0x1000000u
    /*
    除了系统默认的标志位之后，实际编程中最常用的是多个宏定义"异或叠加"的标志位
    */
    1) GFP_KERNEL: #define GFP_KERNEL (__GFP_WAIT | __GFP_IO | __GFP_FS)
    2) GFP_ATOMIC: #define GFP_ATOMIC (__GFP_HIGH): 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
    3) GFP_USER: #define GFP_USER    (__GFP_WAIT | __GFP_IO | __GFP_FS | __GFP_HARDWALL): 用来为用户空间页来分配内存; 它可能睡眠.

0x2: kmalloc使用方法

1. kmalloc()分配的内存处于3GB~high_memory之间的一段连续内存，这段内核空间与物理内存的映射一一对应
2. 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
3. kmalloc 能够处理的最小分配是 32 或者 64 字节(或者是其整数倍)，依赖系统的体系所使用的页大小，所以使用kmalloc申请一个任意数量内存，我们可能得到稍微多于请求的，至多是 2 倍数量
4. 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。为了提高我们的LKM代码的兼容性和可移植性，我们可以申请分配的内存最大只能 128 KB
5. 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 
6. kmalloc最大只能开辟(128k-16)KB，16个字节是被页描述符结构占用了 
7. 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kmalloc最多只能申请128kB的大小的内存 

Relevant Link:

http://oss.org.cn/kernel-book/ldd3/ch08.html
http://people.netfilter.org/rusty/unreliable-guides/kernel-hacking/routines-kmalloc.html
http://www.makelinux.net/books/lkd2/ch11lev1sec4
https://www.kernel.org/doc/htmldocs/kernel-api/API-kmalloc.html

0x3: vmalloc函数原型

linux-3.15.5includelinuxvmalloc.h

void * vmalloc(unsigned long size)

source/mm/vmalloc.c

*__vmalloc(unsigned long size, gfp_t gfp_mask, pgprot_t prot)
{
    return __vmalloc_node(size, 1, gfp_mask, prot, NUMA_NO_NODE, __builtin_return_address(0));
}

__vmalloc_node

static void *__vmalloc_node(unsigned long size, unsigned long align, gfp_t gfp_mask, pgprot_t prot, int node, const void *caller)
{
    return __vmalloc_node_range(size, align, VMALLOC_START, VMALLOC_END, gfp_mask, prot, node, caller);
}

__vmalloc_node_range

void *__vmalloc_node_range(unsigned long size, unsigned long align,
            unsigned long start, unsigned long end, gfp_t gfp_mask,
            pgprot_t prot, int node, const void *caller)
{
    struct vm_struct *area;
    void *addr;
    unsigned long real_size = size;

    size = PAGE_ALIGN(size);
    if (!size || (size >> PAGE_SHIFT) > totalram_pages)
        goto fail;

    area = __get_vm_area_node(size, align, VM_ALLOC | VM_UNINITIALIZED,
                  start, end, node, gfp_mask, caller);
    if (!area)
        goto fail;

    addr = __vmalloc_area_node(area, gfp_mask, prot, node);
    if (!addr)
        return NULL;

    /*
     * In this function, newly allocated vm_struct has VM_UNINITIALIZED
     * flag. It means that vm_struct is not fully initialized.
     * Now, it is fully initialized, so remove this flag here.
     */
    clear_vm_uninitialized_flag(area);

    /*
     * A ref_count = 2 is needed because vm_struct allocated in
     * __get_vm_area_node() contains a reference to the virtual address of
     * the vmalloc'ed block.
     */
    kmemleak_alloc(addr, real_size, 2, gfp_mask);

    return addr;

fail:
    warn_alloc_failed(gfp_mask, 0,
              "vmalloc: allocation failure: %lu bytes
",
              real_size);
    return NULL;
}

__vmalloc_area_node

static void *__vmalloc_area_node(struct vm_struct *area, gfp_t gfp_mask,
                 pgprot_t prot, int node)
{
    const int order = 0;
    struct page **pages;
    unsigned int nr_pages, array_size, i;
    gfp_t nested_gfp = (gfp_mask & GFP_RECLAIM_MASK) | __GFP_ZERO;

    nr_pages = get_vm_area_size(area) >> PAGE_SHIFT;
    array_size = (nr_pages * sizeof(struct page *));

    area->nr_pages = nr_pages;
    /* Please note that the recursion is strictly bounded. */
    if (array_size > PAGE_SIZE) {
        pages = __vmalloc_node(array_size, 1, nested_gfp|__GFP_HIGHMEM,
                PAGE_KERNEL, node, area->caller);
        area->flags |= VM_VPAGES;
    } else {
        pages = kmalloc_node(array_size, nested_gfp, node);
    }
    area->pages = pages;
    if (!area->pages) {
        remove_vm_area(area->addr);
        kfree(area);
        return NULL;
    }

    for (i = 0; i < area->nr_pages; i++) {
        struct page *page;
        gfp_t tmp_mask = gfp_mask | __GFP_NOWARN;

        if (node == NUMA_NO_NODE)
            page = alloc_page(tmp_mask);
        else
            page = alloc_pages_node(node, tmp_mask, order);

        if (unlikely(!page)) {
            /* Successfully allocated i pages, free them in __vunmap() */
            area->nr_pages = i;
            goto fail;
        }
        area->pages[i] = page;
    }

    if (map_vm_area(area, prot, &pages))
        goto fail;
    return area->addr;

fail:
    warn_alloc_failed(gfp_mask, order,
              "vmalloc: allocation failure, allocated %ld of %ld bytes
",
              (area->nr_pages*PAGE_SIZE), area->size);
    vfree(area->addr);
    return NULL;
}

从内核源代码中可以看出，vmalloc复用了kmalloc的内存申请的代码

0x4: vmalloc函数使用方法

char *buf;

buf = vmalloc(16 * PAGE_SIZE); /* get 16 pages */
if (!buf)
        /* error! failed to allocate memory */

/*
 * buf now points to at least a 16*PAGE_SIZE bytes
 * of virtually contiguous block of memory
 */

Relevant Link:

http://www.makelinux.net/books/lkd2/ch11lev1sec5
http://www.kerneltravel.net/journal/v/mem.htm

3. 用户态(ring3)内存申请：malloc/free

Relevant Link:

http://www.cnblogs.com/hanyonglu/archive/2011/04/28/2031271.html

4. 内核内存申请原则

0x1: kmalloc

1. 要特别注意根据当前"CPU中断上下文"，使用正确的标志位申请内存
    1) 判断申请内存的时候可否睡眠，也就是调用kmalloc的时候能否被阻塞
    2) 如果在一个中断处理，在中断处理的下半部分，或者有一个锁的时候，就不能被阻塞
    3) 如果在一个进程上下文，也没有锁，则一般可以睡眠
    4) 在kprobe的回调handle中，当前CPU处于"关中断"状态，这个时候就不能使用"GFP_KERNEL"标志位进行kmalloc内存申请，否则可能会因为发生kmalloc暂时申请不到内存而产生睡眠等待，继而继续产生CPU中断，然而在CPU关中断情况下，CPU是无法响应新的中断的，这个时候就会引起内核panic

2. 如果可以睡眠(CPU可以响应新的中断)，指定GFP_KERNEL 

3. 如果不能睡眠(CPU当前无法响应新的中断)，就指定GFP_ATOMIC 
GFP_KERNEL是linux内存分配器的标志，标识着内存分配器将要采取的行为。分配器标志分为行为修饰符，区修饰符及类型。行为修饰符表示内核应当如何分配所需的内存。区修饰符表示内存区应当从何处分配。类型就是行为修饰符和区修饰符的合体
/*
#define GFP_KERNEL(__GFP_WAIT | __GFP_IO | __GFP_FS)
__GFP_WAIT: 缺内存页的时候可以睡眠
__GFP_IO: 允许启动磁盘IO
__GFP_FS: 允许启动文件系统IO
*/
其中，缺页中断的处理涉及到硬盘外设的硬件中断的响应，但是在关中断情况下，CPU是无法响应硬盘外设的中断请求的，这时候有可能导致发生缺页中断的内存永远不可用

4. 如果需要DMA可以访问的内存，比如ISA或者有些PCI设备，就需要指定GFP_DMA 

5. 需要对kmalloc返回的值检查NULL 

6. 为了没有内存泄漏，需要用kfree()来释放内存

0x2: vmalloc

1. vmalloc()分配的内存在 VMALLOC_START~4GB之间的一段非连续内存区域，这段非连续内存区映射到物理内存也可能是非连续的
2. 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 
3. 把kmalloc()所分配内核空间中的地址称为"内核逻辑地址"
4. 把vmalloc()分配的内核空间中的地址称"内核虚拟地址"
5. vmalloc()在分配过程中须更新内核页表

0x3: kmalloc和vmalloc的区别

1. 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
    1) kmalloc分配的是一段"非分页内存(not pageable memory)"
    2) vmalloc分配的是一段"可分页内存(pageable memory)"

2. vmalloc保证的是
    1) 在虚拟地址空间上的连续
    2) 物理地址非连续
起始位置由VMALLOL_START来决定，一般作为交换区(可被交换到磁盘swap中)、模块的分配

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. 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 

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

6. 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

Relevant Link:

http://blog.csdn.net/newfeicui/article/details/6437917
http://blog.csdn.net/tigerjibo/article/details/6412881

5. 内核中分配物理地址连续的大段内存

在内核编程中，我们常常需要临时分配一块任意大小的物理地址连续的内存空间，下面介绍可以使用到的方法

0x1: kmalloc

由于采用了SLUB作为默认内存分配器, 所以 kmalloc 工作于 SLUB 分配器之上。内核初始化时，创建一组共 13 个通用对象的缓冲区。值得注意的是，kmalloc() 的底层实现也是基于 __get_free_pages() 来进行的，也正因为如此，kmalloc申请的是一段和物理内存一一对应的连续内存地址

0x2: __get_free_pages

#include <linux/gfp.h>
__get_free_pages (unsigned int gfp_mask, unsigned int order);

参数说明

1. gfp_mask 
可以直接使用 kmalloc() 函数中使用的参数

2. order 
第二个变量不是指定大小，而表示 2^order 次方个页，如是 0 就分配一个页，是 3 就分配 8 个页

如果想为分配一块内存空间，但嫌计算所需多少页比较麻烦，那可以使用 get_order() 函数来获取 order 值

char *buff;
int order;

order = get_order (8192);
buff = __get_free_pages (GFP_KERNEL, order);
if (buff != NULL) 
{ 
    ... 
    free_pages (buff, order);
}

使用该函数时，一定要注意 order 最大值，该最大值定义为 MAX_ORDER ，通常为 11 ，也可能是 10 ，这根据平台的不同而不同。如果 order 的值国大，则分配失败的几率就较高，通常使用小于 5 的值，即只分配 32 x PAGE_SIZE 大小的内存

0x3: static/全局变量数组

使用static或全局变量数组, 直接定义变量大小为所需数据大小

static char buffer[ 512 * 1024 * 1024 ]; 

定义512M大小数组. 不过此方法应用到LKM模块中话，会导致加载模块速度奇慢

0x4: alloc_bootmem

alloc_bootmem()是一种内核内存预留的方式，使用alloc_bootmem系列API在start_kernel调用mem_init()之前申请所需的连续大内存。此段内存也就永久保留，除非直接引用所分配的内存地址

code example

unsigned long long pf_buf_len = 0x0;
EXPORT_SYMBOL( pf_buf_len );

void *pf_buf_addr = NULL;
EXPORT_SYMBOL( pf_buf_addr );

static int __init pf_buf_len_setup(char *str)
{
    unsigned long long size;
    unsigned int       nid = 0;
    void              *pbuff = NULL;
 // 分析参数
    size = memparse( str, &str );
    if ( *str == '@' ){
        str ++;
        get_option( &str, &nid );
    }
    //printk( KERN_INFO "pf_buf_len: Allocating %llu bytes/n", size );
 // 分配内存
    pbuff = alloc_bootmem( size );
    if ( likely( NULL != pbuff ) ) {
        printk( KERN_INFO "pf_buf_len: Allocated %llu bytes at 0x%p(0x%p) on node %u/n",
            size, pbuff, (void *)virt_to_phys(pbuff), nid);
        pf_buf_addr = pbuff;
        pf_buf_len  = size;
        goto out;
    }
    printk( KERN_ERR "pf_buf_len: Allocated %llu bytes fail./n", size );
out:
    return 1;

}
__setup( "pf_buf_len=", pf_buf_len_setup);

Relevant Link:

http://oss.org.cn/kernel-book/ldd3/ch08s03.html
http://www.groad.net/bbs/thread-1113-1-1.html
http://blog.csdn.net/force_eagle/article/details/5275572
http://www.linuxidc.com/Linux/2011-10/45459.htm

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