12. C++ kmalloc、kzalloc、vmalloc的区别

kmalloc、kzalloc、vmalloc的区别

我们都知道在用户空间动态申请内存用的函数是 malloc(),这个函数在各种操作系统上的使用是一致的,对应的用户空间内存释放函数是 free()。注意:动态申请的内存使用完后必须要释放,否则会造成内存泄漏,如果内存泄漏发生在内核空间,则会造成系统崩溃。

那么,在内核空间中如何申请内存呢?一般我们会用到 kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 等,下面我们介绍一下这些函数的使用以及它们之间的区别。

kmalloc

函数原型:

void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);

kmalloc() 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,因为存在较简单的转换关系,所以对申请的内存大小有限制,不能超过128KB

较常用的 flags(分配内存的方法):

GFP_ATOMIC — 分配内存的过程是一个原子过程,分配内存的过程不会被(高优先级进程或中断)打断;

GFP_KERNEL — 正常分配内存;

GFP_DMA —给 DMA 控制器分配内存,需要使用该标志(DMA要求分配虚拟地址和物理地址连续);

flags 的参考用法:

  • 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

对应的内存释放函数为:

void kfree(const void *objp);
kzalloc

kzalloc() 函数与 kmalloc() 非常相似,参数及返回值是一样的,可以说是前者是后者的一个变种,因为 kzalloc() 实际上只是额外附加了 __GFP_ZERO 标志。所以它除了申请内核内存外,还会对申请到的内存内容清零。

static inline void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags)
{return kmalloc(size, flags | __GFP_ZERO);
}

kzalloc() 对应的内存释放函数也是 kfree()。

vmalloc

函数原型:

void *vmalloc(unsigned long size);

vmalloc() 函数则会在虚拟内存空间给出一块连续的内存区,但这片连续的虚拟内存在物理内存中并不一定连续。由于 vmalloc() 没有保证申请到的是连续的物理内存,因此对申请的内存大小没有限制,如果需要申请较大的内存空间就需要用此函数了。

对应的内存释放函数为:

void vfree(const void *addr);

注意:vmalloc() 和 vfree() 可以睡眠,因此不能从中断上下文调用。

总结

kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的共同特点是:

  • 用于申请内核空间的内存;
  • 内存以字节为单位进行分配;
  • 所分配的内存虚拟地址上连续

kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的区别是:

  • kzalloc 是强制清零的 kmalloc 操作;(以下描述不区分 kmalloc 和 kzalloc)
  • kmalloc 分配的内存大小有限制(128KB),而 vmalloc 没有限制;
  • kmalloc 可以保证分配的内存物理地址是连续的,但是 vmalloc 不能保证;
  • kmalloc 分配内存的过程可以是原子过程(使用 GFP_ATOMIC),而 vmalloc 分配内存时则可能产生阻塞;
  • kmalloc 分配内存的开销小,因此 kmalloc 比 vmalloc 要快;
  • 一般情况下,内存只有在要被 DMA 访问的时候才需要物理上连续,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。

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