在C語言中，動態內存分配通常用于在運行時申請內存。在內核編程中，動態內存分配與用戶空間有所不同，因為內核需要更謹慎地處理內存，且不能使用用戶空間的庫（如glibc）。下面我們將詳細分析Linux內核中動態申請內存的函數及其區別。
Linux內核中動態內存分配函數
1. kmalloc
kmalloc函數用于在內核空間申請一塊連續的內存區域。它的原型如下：
void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);
- 參數：
size：要分配的內存大小（以字節為單位）。flags：分配標志，用于指定分配內存的行為和內存類型（例如GFP_KERNEL、GFP_ATOMIC等）。
- 返回值：成功時返回指向分配內存的指針，失敗時返回
NULL。 - 特點：
- 分配的內存是物理上連續的（在虛擬地址空間也是連續的）。
- 分配的大小有限制（通常最大為4MB，但具體取決于配置和架構）。
- 適用于需要小塊連續內存的情況（如結構體、緩沖區等）。
2. kzalloc
kzalloc是kmalloc的一個變種，它在分配內存的同時將內存初始化為0。原型如下：
void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags);
- 它等價于先用
kmalloc分配內存，然后用memset清零。 - 參數和返回值與
kmalloc相同。
3. vmalloc
vmalloc用于分配大塊連續虛擬內存（物理內存不一定連續）。原型如下：
void *vmalloc(unsigned long size);
- 參數：
size：要分配的內存大小（以字節為單位）。
- 返回值：成功時返回虛擬地址連續的指針，失敗時返回
NULL。 - 特點：
- 分配的內存虛擬地址連續，但物理地址可能不連續。
- 分配的內存可以很大（遠大于
kmalloc的限制）。 - 訪問速度可能比
kmalloc慢，因為需要建立頁表映射，且可能引起TLB抖動。 - 適用于需要大塊內存且不需要物理連續性的情況（如模塊加載、大型緩沖區等）。
4. kcalloc
kcalloc用于分配數組內存，并將內存初始化為0。原型如下：
void *kcalloc(size_t n, size_t size, gfp_t flags);
- 參數：
n：數組元素個數。size：每個元素的大小。flags：同kmalloc。
- 返回值：成功返回指針，失敗返回
NULL。 - 它分配的內存大小為
n * size，并初始化為0。
5. alloc_pages / __get_free_pages
這兩個函數用于直接分配頁面（以頁為單位）。
alloc_pages返回struct page *，而__get_free_pages返回虛擬地址。- 原型：
struct page *alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order); unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order); - 參數：
gfp_mask：分配標志。order：指定分配頁數的對數（即分配頁數為2^order）。
- 它們分配的內存是物理連續的，適用于大塊內存需求（但比
vmalloc高效，因為物理連續）。
6. kmem_cache_alloc
用于從特定的內存緩存中分配對象。內核中經常需要頻繁分配和釋放相同大小的內存塊（如結構體），使用slab分配器可以提高效率。
- 首先需要創建一個緩存：
struct kmem_cache *kmem_cache_create(const char *name, size_t size, size_t align, unsigned long flags, void (*ctor)(void *)); - 然后從緩存中分配：
void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags); - 釋放對象到緩存：
void kmem_cache_free(struct kmem_cache *cachep, void *objp); - 銷毀緩存：
void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *cachep);
區別對比
| 函數 | 物理連續 | 虛擬連續 | 最大大小 | 適用場景 | 速度 |
|---|---|---|---|---|---|
kmalloc/kzalloc | 是 | 是 | 較小（如4MB） | 小內存、需要物理連續 | 快 |
vmalloc | 否 | 是 | 很大（如多個GB） | 大內存、不需要物理連續 | 慢 |
kcalloc | 是 | 是 | 同kmalloc | 數組分配并初始化為0 | 快 |
alloc_pages等 | 是 | 是 | 較大（多頁） | 大塊物理連續內存 | 快 |
kmem_cache_alloc | 是（通常） | 是 | 由緩存對象決定 | 頻繁分配釋放固定大小對象 | 非常快 |
分配標志（gfp_t flags）常用值
GFP_KERNEL：常規分配，可能睡眠（阻塞），適用于進程上下文。GFP_ATOMIC：原子分配，不會睡眠，適用于中斷上下文或不能睡眠的地方。GFP_USER：為用戶空間分配內存。GFP_HIGHUSER：從高端內存為用戶空間分配。GFP_NOIO：禁止I/O操作（在存儲管理代碼中使用）。GFP_NOFS：禁止文件系統操作（在文件系統代碼中使用）。GFP_DMA：分配可用于DMA的內存（物理地址在16MB以下）。GFP_DMA32：分配可用于DMA的內存（物理地址在4GB以下）。
使用注意事項
- 上下文要求：在中斷上下文、軟中斷、持有自旋鎖等原子上下文中，不能使用可能睡眠的函數（如
GFP_KERNEL），而應使用GFP_ATOMIC。 - 內存泄漏：內核內存不會自動釋放，必須顯式釋放，否則會導致內存泄漏。
- 碎片問題：頻繁分配釋放內存可能導致碎片，使用slab分配器可以減少碎片。
- 性能考量：
vmalloc分配的內存訪問速度相對較慢，應避免在性能關鍵路徑中使用。
釋放內存的函數
kmalloc/kzalloc/kcalloc分配的內存用kfree釋放。vmalloc分配的內存用vfree釋放。__get_free_pages分配的內存用free_pages釋放。alloc_pages分配的內存用__free_pages釋放。kmem_cache_alloc分配的內存用kmem_cache_free釋放。
示例代碼片段
// 使用kmalloc
void *ptr = kmalloc(100, GFP_KERNEL);
if (ptr) {// 使用內存kfree(ptr);
}
// 使用vmalloc
void *vptr = vmalloc(1000000);
if (vptr) {// 使用內存vfree(vptr);
}
// 使用內存緩存
struct kmem_cache *my_cache = kmem_cache_create("my_cache", sizeof(struct my_struct), 0, 0, NULL);
struct my_struct *obj = kmem_cache_alloc(my_cache, GFP_KERNEL);
if (obj) {// 使用對象kmem_cache_free(my_cache, obj);
}
kmem_cache_destroy(my_cache);
以上是Linux內核中動態內存分配的主要函數及其區別。在實際使用中，應根據具體需求選擇合適的內存分配函數。
