Linux内存管理之kmalloc 与 __get_free_page()

linux 申请大容量内存的方法【原创版4篇】目录（篇1）1.引言：介绍 Linux 系统中申请大容量内存的需求2.内核空间申请内存的方法：讲解 kmalloc 函数及其特点3.用户态申请内核态内存的方法：介绍 brk 系统调用、setfs、getfs 以及 dommap 等方法4.Linux 内存管理机制：概述地址空间、页（page）管理以及物理内存分配5.预留内存和大块内存申请：讨论内核对于大内存申请的优化方法6.结论：总结 Linux 申请大容量内存的方法及特点正文（篇1）在 Linux 系统中，有时我们需要申请大容量的内存空间以满足程序运行的需求。

本文将介绍几种在 Linux 系统中申请大容量内存的方法。

首先，我们可以使用 kmalloc 函数来申请内核空间内存。

kmalloc 函数的原型为：void *kmalloc(size_t size, int flags)，其中 size 表示要分配的内存块大小，flags 表示分配标志，常用的有 (会引起睡眠) 和 (不引起睡眠，分配不到，立即返回)。

使用 kmalloc 函数申请的内存位于内核物理内存映射区域，物理上连续，与真实的物理地址只有一个固定偏移。

其次，如果我们需要在内核态使用用户态地址空间，可以采用以下几种方法：使用 brk 系统调用、setfs、getfs 以及 dommap 等。

这些方法可以在内核态和用户态之间映射物理内存，从而实现内核态访问用户态地址空间。

Linux 内存管理机制中，地址空间分为三个区域：DMA、normal 和highmem。

物理内存分配时，内核会根据不同的内存需求选择合适的区域进行分配。

而页（page）是 Linux 内存管理的基本单位，通常一页为 4KB。

在初始化时，内核为每个物理内存页建立一个 page 的管理结构。

针对大内存申请，Linux 内核也提供了一些优化方法。

例如，在申请大容量内存时，内核可以采用伙伴系统进行分配。

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。

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxx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()。

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxx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。

linuxfree命令详解本⽂介绍了linux free命令详解，分享给⼤家，具体如下：free 命令显⽰系统内存的使⽤情况，包括物理内存、交换内存(swap)和内核缓冲区内存。

如果加上 -h 选项，输出的结果会友好很多：有时我们需要持续的观察内存的状况，此时可以使⽤ -s 选项并指定间隔的秒数：$ free -h -s 3上⾯的命令每隔 3 秒输出⼀次内存的使⽤情况，直到你按下 ctrl + c。

(Ubuntu 16.04 中默认的 free 版本有 bug，使⽤ -s 选项时报错，所以这张图是在 CentOS 中截的。

)由于 free 命令本⾝⽐较简单，所以本⽂的重点会放在如何通过 free 命令了解系统当前的内存使⽤状况。

输出简介下⾯先解释⼀下输出的内容：Mem ⾏(第⼆⾏)是内存的使⽤情况。

Swap ⾏(第三⾏)是交换空间的使⽤情况。

total 列显⽰系统总的可⽤物理内存和交换空间⼤⼩。

used 列显⽰已经被使⽤的物理内存和交换空间。

free 列显⽰还有多少物理内存和交换空间可⽤使⽤。

shared 列显⽰被共享使⽤的物理内存⼤⼩。

buff/cache 列显⽰被 buffer 和 cache 使⽤的物理内存⼤⼩。

available 列显⽰还可以被应⽤程序使⽤的物理内存⼤⼩。

我想只有在理解了⼀些基本概念之后，上⾯的输出才能帮助我们了解系统的内存状况。

buff/cache先来提⼀个问题： buffer 和 cache 应该是两种类型的内存，但是 free 命令为什么会把它们放在⼀起呢？要回答这个问题需要我们做些准备⼯作。

让我们先来搞清楚 buffer 与 cache 的含义。

buffer 在操作系统中指 buffer cache，中⽂⼀般翻译为 "缓冲区"。

要理解缓冲区，必须明确另外两个概念："扇区" 和 "块"。

扇区是设备的最⼩寻址单元，也叫 "硬扇区" 或 "设备块"。

linux核心函数Linux 内核是操作系统的核心部分，它提供了操作系统的核心功能，包括进程管理、内存管理、文件系统等。

Linux 内核的源代码中包含了大量的函数，用于实现各种操作系统的功能。

以下是一些Linux 内核中常见的核心函数，它们扮演着关键的角色：1.进程管理函数：–fork()：创建一个新的进程。

–exec()：在当前进程中执行一个新的程序。

–wait()：等待子进程结束。

–exit()：终止当前进程。

2.调度和任务管理函数：–schedule()：进行进程调度。

–yield()：主动让出CPU，将当前进程移动到就绪队列的末尾。

–wake_up_process()：唤醒一个等待中的进程。

3.内存管理函数：–kmalloc()：在内核中分配内存。

–kfree()：释放内核中的内存。

–vmalloc()：在虚拟地址空间中分配内存。

4.文件系统函数：–open()：打开一个文件。

–read()：从文件中读取数据。

–write()：向文件中写入数据。

–close()：关闭文件。

5.设备驱动函数：–register_chrdev()：注册字符设备。

–unregister_chrdev()：注销字符设备。

–request_irq()：注册中断处理函数。

6.网络函数：–socket()：创建套接字。

–bind()：将套接字与地址绑定。

–listen()：侦听传入连接请求。

–accept()：接受传入的连接请求。

7.定时器和时钟函数：–timer_create()：创建一个定时器。

–timer_settime()：设置定时器的时间。

–gettimeofday()：获取当前时间。

8.同步和互斥函数：–spin_lock()：获取自旋锁。

–spin_unlock()：释放自旋锁。

–mutex_lock()：获取互斥锁。

–mutex_unlock()：释放互斥锁。

这些函数仅仅是Linux 内核中众多函数的一小部分，Linux 内核的源代码非常庞大而复杂，包含了各种各样的功能和模块。

系统对进程的虚拟内存管理：mm{},vm_area_struct{}系统对物理内存管理：page{}每个进程都可用4G的虚拟地址空间 0~4G,每个进程的页表不同（page table : 内存映射。

Memory mapping）几种内存地址:物理地址（PA），虚拟地址：内核空间： 3~4G共1G, 内核虚拟地址（其中包括896M的内核逻辑地址）又划分为两部分：实际的物理地址直接映射到内核空间，当实际物理内存>896M时，此时要做映射，通过建立页表，只有前896M存在这种映射关系当实际物理内存<896M时，PA全部映射到内核空间，此时内核VA –3G=对应的物理PA，反之亦然。

此部分地址称为内核逻辑地址区域kernellogical address用户空间: 0~3G ，页表映射高端内存： >896M的内存空间以上4G虚拟地址空间分配见本子Figure-1。

重点掌握kernel logical address见课件涉及到的内核结构体：task-struct { mm_struct *mm ;}mm_struct *mm {pgd_t pgd;}vm_area_struct * mmap{ } /* emphasis Linux内核中对应进程内存区域的数据结构，一个进程有多个内存区域，所以有多个vma*/cat /proc/<pid>/map内存映射的两层含义：1. 把VA 映射到对应的 PA 上（对VA的操作即对PA的操作）2. 把一个文件的地址空间（文件打开后有缓存，即文件打开后存在于内存上，占用一定内存空间）映射到进程，让进程可以通过访问内存从而访问文件。

内存映射的基本单位都是VMA，如structfile_operations{int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);}Linux内存管理中，4G的进程地址空间, 0-3G为用户空间，3-4G为内核空间，内核空间中小于896M的虚拟内存可以通过offset容易的映射到物理内存，大于896M的部分通过页表映射到物理内存，假如只有800M内存，会被内核空间完全映射，那用户空间的虚拟地址映射到物理内存哪里？是不是内核空间虽然能够完全映射到物理内存，但是因为不会全部使用物理内存，所以当用户空间需要内存映射时，会从物理内存中空闲的部分进行映射？如果是这样，对于物理内存而言，同时存在着内核空间的映射和当前进程的用户空间的映射Problems:文件打开后被调入内存，称之为缓存下载一个新的内核叶框与页区别页的状态page cache, buffer cachefile inodechar tr = malloc(0);把各个函数都用一下，把每个函数的返回值打印出来，看在哪个空间内。

kmalloc()和vmalloc()介绍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：———————————————————————————————-情形 相应标志———————————————————————————————-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_ATOMICTasklet 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 ———————————————————————————————-4. void kfree(const void *ptr)释放由kmalloc()分配出来的内存块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。

malloc(), vmalloc()和kmalloc()区别[*]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。

下面的设备文件，供上层应用程/dev/1、字符型驱动设备你是怎么创建设备文件的，就是序打开使用的文件？命令结合设备的主设备号和次设备号，可创建一个设备文件。

答：mknod自动创建设备文件的方还有UDEV/MDEV评：这只是其中一种方式，也叫手动创建设备文件。

包括创建和删除设备文件，可以动态管理设备文件，式，UDEV/MDEV是运行在用户态的程序，一创建了设备文件。

运行在用户态意味着系统要运行之后。

那么在系统启动期间还有devfs共有三种方式可以创建设备文件。

、写一个中断服务需要注意哪些？如果中断产生之后要做比较多的事情你是怎么做的？2的任务尽量放在后)答：中断处理例程应该尽量短，把能放在后半段(tasklet，等待队列等半段。

包括硬写一个中断服务程序要注意快进快出，在中断服务程序里面尽量快速采集信息，评：也就是中断上方式。

tasklet件信息，然后推出中断，要做其它事情可以使用工作队列或者半部和下半部。

第二：中断服务程序中不能有阻塞操作。

为什么？大家可以讨论。

第三：中断服务程序注意返回值，要用操作系统定义的宏做为返回值，而不是自己定义的之类的。

FAILOK，、自旋锁和信号量在互斥使用时需要注意哪些？在中断服务程序里面的互斥是使用自旋锁3 还是信号量？还是两者都能用？为什么？中断服务例程中的互斥使用使用信号量的进程可以睡眠。

答：使用自旋锁的进程不能睡眠，的是自旋锁，原因是在中断处理例程中，硬中断是关闭的，这样会丢失可能到来的中断。

、原子操作你怎么理解？为了实现一个互斥，自己定义一个变量作为标记来作为一个资源4 只有一个使用者行不行？自己定义一个变量怎么我没懂第二句是什么意思，答：原子操作指的是无法被打断的操作。

可能标记资源的使用情况？其他进程又看不见这个变量评：第二句话的意思是：定义一个变量,比如 int flag =0;if(flag == 0){flag = 1;操作临界区；flag = 0;这样可否？}呢？这两个函数在设计上要注insmod 一个驱动模块，会执行模块中的哪个函数？rmmod5、意哪些？遇到过卸载驱动出现异常没？是什么问题引起的？这两个函数在设计时要注意什么？卸载函数。

linux内存相关指标
在Linux系统中，有几个重要的内存相关指标可用于监控和管理系统内存的使
用情况。

以下是一些常见的Linux内存指标：
1. Total（总内存）：这是系统中总共可用的内存量，包括物理内存和交换空
间。

2. Used（已使用内存）：已经被分配给进程使用的内存量，包括正在使用的物
理内存和交换空间。

3. Free（空闲内存）：尚未被分配给任何进程使用的内存量，包括未使用的物
理内存和未使用的交换空间。

4. Buffers（缓冲区）：用于存储正在写入磁盘的数据的缓冲区所使用的内存
量。

5. Cached（缓存）：用于存储经常访问的文件数据的缓存所使用的内存量。

6. Swap（交换空间）：当内存不足时，用于将不活动的内存页交换到磁盘上的
一块特殊的空间。

Swap被视为延伸的物理内存。

这些指标可以通过命令`free`来查看，例如：
```
$ free -h
total used free shared buff/cache available
Mem: 7.7G 3.5G 1.2G 239M 3.0G 3.0G
Swap: 2.0G 392M 1.6G
```
除了`free`命令之外，还可以使用`top`、`htop`、`procfs`等工具来查看和监
控系统内存使用情况。

这些内存指标对于诊断性能问题、优化内存使用以及了解系统健康状况都非常
有用。

在运行Linux服务器或进行性能调优时，了解和监控内存指标可以帮助您更
好地管理系统资源。

kmalloc用法
kmalloc函数在Linux内核中的应用非常广泛，常用来申请内核空间分配数据，例如：Linux内存中的内存管理。

它还可以用来给一个新的内核线程、一个新的内核实体（例如：内存页）申请内存空间，因此也可以用来分配新的内核结构，例如：task_struct（任务结构）和文件系统数据结构（例如：inode）。

kmalloc函数有2个可选参数，第一个是要申请的内存大小，可以使用宏定义来表示，例如：GFP_KERNEL和GFP_ATOMIC，分别表示申请内核空间和申请原子空间。

第二个参数是标志，可以用来指定内存分配时的详细设置，例如：是否允许占用中断时间，是否允许内存休眠，是否允许分配失败，等等。

因此，kmalloc函数在操作系统内核的实现中占有非常重要的地位。