内核内存管理接口简述

最近项目需要，一直在看内核方面的问题，典型的就是内存管理。

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()。那在内核空间中如何申请内存呢？一般我们会用到 kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 等。

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。 

较常用的有下面3个参数：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）。

而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。

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。

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；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。