kmalloc与vmalloc的对比

来源：互联网发布：杭州网络建站编辑：程序博客网时间：2024/05/16 09:20

kmalloc与vmalloc的对比

进程的4GB内存空间被人为的分为两个部分--用户空间与内核空间。用户空间地址分布从0到3GB(PAGE_OFFSET，在0x86中它等于0xC0000000)，3GB到4GB为内核空间。

内核空间中，从3G到vmalloc_start这段地址是物理内存映射区域（该区域中包含了内核镜像、物理页框表mem_map等等），比如我们使用的 VMware虚拟系统内存是160M，那么3G～3G+160M这片内存就应该映射物理内存。在物理内存映射区之后，就是vmalloc区域。对于 160M的系统而言，vmalloc_start位置应在3G+160M附近（在物理内存映射区与vmalloc_start期间还存在一个8M的gap 来防止跃界），vmalloc_end的位置接近4G(最后位置系统会保留一片128k大小的区域用于专用页面映射)

      kmalloc和get_free_page申请的内存位于物理内存映射区域，而且在物理上也是连续的，它们与真实的物理地址只有一个固定的偏移，因此存在较简单的转换关系，virt_to_phys()可以实现内核虚拟地址转化为物理地址：
   #define __pa(x) ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)
   extern inline unsigned long virt_to_phys(volatile void * address)
   {
       　return __pa(address);
   }
上面转换过程是将虚拟地址减去3G（PAGE_OFFSET=0XC000000）。

与之对应的函数为phys_to_virt()，将内核物理地址转化为虚拟地址：
   #define __va(x) ((void *)((unsigned long)(x)+PAGE_OFFSET))
   extern inline void * phys_to_virt(unsigned long address)
   {
       　return __va(address);
   }
virt_to_phys()和phys_to_virt()都定义在include/asm-i386/io.h中。

而vmalloc申请的内存则位于vmalloc_start～vmalloc_end之间，与物理地址没有简单的转换关系，虽然在逻辑上它们也是连续的，但是在物理上它们不要求连续。

我们用下面的程序来演示kmalloc、get_free_page和vmalloc的区别：
#include <linux/module.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/vmalloc.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
unsigned char *pagemem;
unsigned char *kmallocmem;
unsigned char *vmallocmem;

int __init mem_module_init(void)
{
//最好每次内存申请都检查申请是否成功
//下面这段仅仅作为演示的代码没有检查
pagemem = (unsigned char*)get_free_page(0);
printk("<1>pagemem addr=%x", pagemem);

kmallocmem = (unsigned char*)kmalloc(100, 0);
printk("<1>kmallocmem addr=%x", kmallocmem);

vmallocmem = (unsigned char*)vmalloc(1000000);
printk("<1>vmallocmem addr=%x", vmallocmem);

return 0;
}

void __exit mem_module_exit(void)
{
free_page(pagemem);
kfree(kmallocmem);
vfree(vmallocmem);
}

module_init(mem_module_init);
module_exit(mem_module_exit);

我们的系统上有160MB的内存空间，运行一次上述程序，发现pagemem的地址在0xc7997000（约3G+121M）、kmallocmem 地址在0xc9bc1380（约3G+155M）、vmallocmem的地址在0xcabeb000（约3G+171M）处，符合前文所述的内存布局。

void *kmalloc(size_t size, int flags);

flags 参数

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。
GFP_KERNEL: 内核内存的正常分配。可能睡眠。
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_NOIO
GFP_NOFS: 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。

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: 正常地, 内存分配器尽力返回"缓冲热"的页 -- 可能在处理器缓冲中找到的页。相反, 这个标志请求一个"冷"页, 它在一段时间没被使用。它对分配页作 DMA 读是有用的, 此时在处理器缓冲中出现是无用的。一个完整的对如何分配 DMA 缓存的讨论看"直接内存存取"一节在第 1 章。
__GFP_NOWARN: 这个很少用到的标志阻止内核来发出警告(使用 printk ), 当一个分配无法满足。
__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。
__GFP_REPEAT
__GFP_NOFAIL
__GFP_NORETRY: 这些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。最后, __GFP_NORETRY 告知分配器立即放弃如果得不到请求的内存。

size 参数

内核管理系统的物理内存, 这些物理内存只是以页大小的块来使用。 结果是, kmalloc 看来非常不同于一个典型的用户空间 malloc 实现。一个简单的, 面向堆的分配技术可能很快有麻烦; 它可能在解决页边界时有困难。因而, 内核使用一个特殊的面向页的分配技术来最好地利用系统RAM。

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。内存管理方案是非常复杂, 并且细节通常不是全部设备驱动编写者都感兴趣的。

然而, 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。

kmalloc()用于申请较小的、连续的物理内存1. 以字节为单位进行分配，在<linux/slab.h>中2. void *kmalloc(size_t size, int flags) 分配的内存物理地址上连续，虚拟地址上自然连续3. gfp_mask标志：什么时候使用哪种标志？如下：

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情形相应标志

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进程上下文，可以睡眠 GFP_KERNEL

进程上下文，不可以睡眠 GFP_ATOMIC

中断处理程序 GFP_ATOMIC

软中断 GFP_ATOMIC

Tasklet GFP_ATOMIC

用于DMA的内存，可以睡眠 GFP_DMA | GFP_KERNEL

用于DMA的内存，不可以睡眠 GFP_DMA | GFP_ATOMIC

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kfree()释放由kmalloc()分配出来的内存

vmalloc()

用于申请较大的内存空间，虚拟内存是连续的

1. 以字节为单位进行分配，在<linux/vmalloc.h>中

2. void *vmalloc(unsigned long size) 分配的内存虚拟地址上连续，物理地址不连续

3. 一般情况下，只有硬件设备才需要物理地址连续的内存，因为硬件设备往往存在于MMU之外，根本不了解虚拟地址；但为了性能上的考虑，内核中一般使用 kmalloc()，而只有在需要获得大块内存时才使用vmalloc()，例如当模块被动态加载到内核当中时，就把模块装载到由vmalloc()分配的内存上。

4.void vfree(void *addr)，这个函数可以睡眠，因此不能从中断上下文调用。

[*]kmalloc和vmalloc是分配的是内核的内存,malloc分配的是用户的内存

[*]kmalloc保证分配的内存在物理上是连续的,vmalloc保证的是在虚拟地址空间上的连续,malloc不保证任何东西(这点是自己猜测的,不一定正确)

[*]kmalloc能分配的大小有限,vmalloc和malloc能分配的大小相对较大

[*]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

总结：

kmalloc和vmalloc是分配的是内核的内存,malloc分配的是用户的内存
kmalloc保证分配的内存在物理上是连续的,vmalloc保证的是在虚拟地址空间上的连续,malloc不保证任何东西(这点是自己猜测的,不一定正确)
kmalloc能分配的大小有限,vmalloc和malloc能分配的大小相对较大
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

参考：

http://blog.csdn.net/macrossdzh/article/details/5958368

http://blog.chinaunix.net/uid-20773387-id-570995.html

http://hi.baidu.com/albert_wu/item/7e3bdb204e8f178f6f2cc3f0