linux设备驱动归纳总结（五）：1.在内核空间分配内存

一时失言乱红尘 2022-04-23 10:56 191阅读 0赞

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一般的，用户空间使用函数malloc在堆上分配内存空间，同样的，在内核空间同样有一套类似的函数来分配空间。下面的知识会涉及页式管理的内存机制，如果不懂的要先复习一下，在S3C2440数据手册的MMU部分有介绍。

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一、内核空间和用户空间有什么不同

学c语言的时候应该学过，从用户空间看，每个进程都傻乎乎的以为自己有4G的内存空间，其中位于高地址（3G-4G）的1G空间给内核用，另外的3G（0-3G）都是它一个人独占的。所以用户空间很慷慨的把3G的空间分了好几个区域，如堆、栈、代码段等。其中，malloc()分配的空间位于堆，而程序中的自动变量，如你在函数内定义的“int i”，它是放在栈上，同时。用户空间的栈是可变栈，即随着数据的增多，对应函数的栈空间也会增多。

跟每个用户空间的进程不一样，内核只有1G的空间，同时，除了自己本身有进程运行外，内核还要允许用户空间进程调用系统调用进入内核空间去执行。所以，内核对此相当吝啬，它规定在内核中的每个进程都只有4KB或8KB（32位下）的定长栈。出于这样的原因，大的数据结构就不能在栈中分配，只能请求内核分配新的空间来存放数据，如函数kmalloc()。

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二、内存的基本单位是字节吗？

在介绍分配内存空间的函数前，我们还要了解一下内存是怎么被划分的。

内核不仅知道用户空间中看到的1G内核空间是假的，它还知道实际的物理内存是多少（我的开发板是64M）。所以，内核的其中一个任务就是，当这段虚假内存中的数据需要调用时，内核把这段虚拟内存与实际的物理内存对应上，运行完后又把两段内存的对应关系撤销掉给另外的虚拟内存用。

既然知道虚拟内存与物理内存的关系，那它们是怎么对应的，难道是一个一个字节？如果这样子做的话内核肯定觉得崩溃。

页是内存管理的基本单位。内存管理器（MMU，用于虚拟地址与物理地址之间的转换）通常以页为单位进行出来。页是内存管理的最小单位。在32位的系统中，一页的大小为4KB。所以，64M的物理内存将被分为16384个页。每一个物理页对应地用一个struct page来维护，注意，该结构体是用来维护物理页，而不是虚拟也，结构体记录该页是否被使用，对应的虚拟地址是多少等信息。

由于内存访问的限制，内核又把内存分成了3个区。

如有些硬件的访问只能在24位的地址空间寻址，出于这总访问限制，linux把前16MB划分为ZONE\_DMA——用于直接内存访问（MDA）。

在x86体系里，高于896M的内存空间称为高端内存，这段内存区域的页和普通的内存页操作后有差异，这段区域划分为ZONE\_HIGHMEM。

剩下的，加载这两段区域之间的就是我们平时用的普通内存区域——ZONE\_NORMAL。

这这里要注意一下：

1）这些分区是指linux自己分的，当然，如果普通分区不够用，当然也可以占用其他区的空间。

2）分区的大小是根据体系结构而定的，一般的ARM下，ZONE\_NORMAL就是所有的可用内存区域。

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三、分配内存时使用的标记gfp\_mask

在讲如何分配内存之前，先讲一下分配内存时将会用到的gfp\_mask。简单地讲，这个标记指定了分配内存时的要求。具体分三类：

行为修饰符：表示内核应当如何分配内存，如指定不能休眠等。

区修饰符：指定内存将要分配到上面讲的三个区中的哪一个。

类型标记：这包含了上面两种修饰符（或运算），这些标记是为了让用户更好地去使用。

标记有很多，我这里不一一介绍，需要的可以自己查阅《linux内核设计与实现（第三版）》P238页。这里我讲两个常用的类型标记：

1）GFP\_KERNEL：最常用的标记，用于可睡眠的进程上下文。

2）GFP\_ATOMIC：使用了这个标记，内存分配函数不会引起随眠。

3）GFP\_USER：当需要给用户空间分配内存空间时使用该标记。

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四、分配内存的第一种方法——按页分配

这是内核提供的一种请求内存的底层机制，都是以页为单位分配内存。以下函数包含在<linux/gfh.h>

这分为两个步骤：

1、请求内核分配页，获得物理页对应的结构体struct page：

static inline struct page \* alloc\_pages(gfp\_t gfp\_mask, unsigned int order)

使用：

该函数用于申请(1<<other)——即2的other次方个连续物理页，gfp\_mask用于指定分配的方式，一般使用GFP\_KERNEL或GFP\_ATOMIC。注意：函数会引起睡眠

返回值：

成功返回一个指针，指向这连续物理页的第一个struct page结构体，失败返回NULL。

2、分配页后还不能直接用，需要得到该页对应的虚拟地址：

void \*page\_address(struct page \*page)

其实这个函数就是获取page的成员virtual，但千万不要直接访问，需要使用这个函数。函数返回的是物理页对应的虚拟地址，注意，如果你申请了多个物理页，分配的物理页是连续的，对应的虚拟地址也是连续的。

上面的两个步骤其实可以合成一个函数：

unsigned long \_\_get\_free\_pages(gfp\_t gfp\_mask, unsigned int order)

这个函数的传参和alloc\_pages的一样，不过它直接返回申请的物理页对应的虚拟地址。

当然，无论使用上面的哪种方法，当内存不用时，需要调用函数释放：

1、如果你使用上面的第一种方法：

void \_\_free\_pages(struct page \*page, unsigned int order)

2、如果你使用的是第二种方法：

void free\_pages(unsigned long addr, unsigned int order)

下面来个程序：

/\*5th\_mm/5th\_mm\_1/1st/test.c\*/

1 \#include <linux/module.h>

2 \#include <linux/init.h>

3

4 \#include <linux/mm.h>

5

6 struct page \*p;

7 char \*s;

8

9 static int \_\_init test\_init(void) //模块初始化函数

10 \{

11 unsigned long virt, phys;

12

13 \#define SWITCH 0 //通过定义这个来切换校验这两种不同的方法

14 \#if SWITCH

15 //alloc 2 pages

16 p = alloc\_pages(GFP\_KERNEL, 1);

17 if (NULL == p)\{ //必须检验错误

18 printk("alloc page error!\\n");

19 return - ENOMEM;

20 \}

21 s = page\_address(p);

22 \#else

23 s = (char \*)\_\_get\_free\_pages(GFP\_KERNEL, 1);

24 if (NULL == s)\{

25 printk("alloc page error!\\n");

26 return - ENOMEM;

27 \}

28 \#endif

29

30 phys = \_\_pa((unsigned long)s); //通过虚拟地址获得对应的物理地址

31 virt = (unsigned long)\_\_va(phys); //通过物理地址获得对应的虚拟地址

32 printk("<p->virtual, s>\[%p\]\\n", s); //打印获得的虚拟地址

33 printk("<phys>\[%p\]\\n", (void \*)phys); //打印对应的物理地址

34 printk("<virt>\[%p\]\\n", (void \*)virt); //再打印虚拟地址，其实就是分配函数返回的地址

35

36 memcpy(s, "hello mm", 20);

37

38 printk("hello kernel\\n");

39 return 0;

40 \}

41

42 static void \_\_exit test\_exit(void) //模块卸载函数

43 \{

44 \#if SWITCH

45 \_\_free\_pages(p, 1);

46 \#else

47 free\_pages((unsigned long)s, 1);

48 \#endif

49

50 printk("good bye kernel\\n");

51 \}

52

53 module\_init(test\_init);

54 module\_exit(test\_exit);

55

56 MODULE\_LICENSE("GPL");

57 MODULE\_AUTHOR("xoao bai");

58 MODULE\_VERSION("v0.1");

再检验一下：

\[root: 1st\]\# insmod test.ko

<p->virtual, s>\[c3968000\] //虚拟地址

<phys>\[33968000\] //对应的实际地址

<virt>\[c3968000\]

hello kernel \[hello mm\] //打印出来了，hello美眉！

上面我分配了两页后什么也没做，当然，如果你要是只分配一页，内核有贴心函数：

\#define alloc\_page(gfp\_mask) alloc\_pages(gfp\_mask, 0)

\#define \_\_get\_free\_page(gfp\_mask) \_\_get\_free\_pages((gfp\_mask),0)

另外还有一个函数，不仅给你分配一页空间，还帮你清零了，特别适用于给用户空间分配内存。

nsigned long get\_zeroed\_page(gfp\_t gfp\_mask)

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五、分配内存的第二种方法——kmalloc()

kmalloc()的用法和malloc差不多，只是多了一个我前面介绍的标志gfp\_flag。

上函数，需要包含头文件<linux/slab.h>

void \*kmalloc(size\_t size, gfp\_t flags)

成功返回指向这块内存的地址（虚拟地址），失败返回NULL。这里注意一下，返回的内存大小不一定是size，因为内存的分配是基于页来分配的，有时需要地址对齐之类，所有分配的内存地址可能比size大。函数同样会引起睡眠，如果不能睡眠需要使用GFP\_ATOMIC。

分配的内存必须释放，使用函数：

void kfree(const void \*objp)

上个程序：

/\*5th\_mm\_1/2nd/test.c\*/

1 \#include <linux/module.h>

2 \#include <linux/init.h>

3

4 \#include <linux/mm.h>

5

6 char \*s;

7

8 static int \_\_init test\_init(void) //模块初始化函数

9 \{

10 s = kmalloc(20, GFP\_KERNEL);

11 memcpy(s, "hello mm", 20);

12

13 printk("hello kernel \[%s\]\\n", s);

14 return 0;

15 \}

16

17 static void \_\_exit test\_exit(void) //模块卸载函数

18 \{

19 kfree(s);

20 printk("good bye kernel\\n");

21 \}

22

23 module\_init(test\_init);

24 module\_exit(test\_exit);

25

26 MODULE\_LICENSE("GPL");

27 MODULE\_AUTHOR("xoao bai");

28 MODULE\_VERSION("v0.1");

再验证一下：

\[root: 2nd\]\# insmod test.ko

hello kernel \[hello mm\] //又打印出来了

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六、其他的内存分配函数——vmalloc

有时候，内核不一定会有很大的一块连续物理内存，这时候kmalloc就不能处理这种情况了，它只能是分配连续的物理内存。需要用以下的函数vmalloc。

分配：

void \* vmalloc(unsigned long size);

同样的，成功返回首地址，失败返回NULL，切记这个函数会引起睡眠。而且没有标志可选。

释放：

void vfree(void \*addr);

当指定的size没有真够大的连续空间时，这个函数就会像捡破烂一样，东捡一块西捡一块，凑成满足大小的物理内存，并连在一起形成连续的虚拟内存再把首地址返回，所以这个函数的操作很麻烦，出于性能的考虑，能不用的话尽量不用。

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七、slab层

为了方便一些频繁被使用的数据，内核有了slab层的概念。大概意思就是，在告诉内存空间里面，内核定义多了slab（其实就是一页），这些页可以预先定义成用来存放什么数据。这样的话就方便了，当有这样的数据要存放，进程就可以申请放在slab层，这样的话就省去了内存分配和释放的操作。具体的介绍请看《linux内核设计与实现（第三版）》P245。

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八、总结

这节讲了内核是如何管理和分配内存了，还重点介绍了最常用的内存分配方法kmalloc。

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