malloc、kmalloc、vmalloc ?
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大家好,我是Nick,前段时间面试被面试官问到了内存相关问题,尤其是kmalloc和vmalloc,不能只懂皮毛,kmalloc是连续的物理内存,vmalloc是非连续的,那么今天就来深入理解一下吧。
malloc与free函数
首先,先来谈一下malloc与free两个函数,这个我们最熟悉的内存分配函数
1int * ptd;
2ptd = (int *)malloc(5 * sizeof(int));
3free(ptd);
如上面的例子,其实我们在申请内存的时候很简单,只需要给你字节大小的参数,然后malloc函数就会返回一个对应首地址的指针。本文的重点不在这,便不详加介绍,但重点来了, 就在前天面试官问了一个问题,关于free函数内存在释放的时候造成的内存泄露问题,由此引出了一个问题,free函数是如何知道要释放的内存空间大小?众所周知,malloc参数有大小,但是free函数只有一个指针参数。
那么在翻看malloc与free函数的实现源码后,问题就会得到了解答,在我们分配时,为了完成释放任务,很多内存分配函数都会在一个称之为头部指针(header,或者称之为头块)的地方保存一些额外的信息,头部指针通常在放回的内存块之前。
比如上文代码中申请一个20字节大小的内存空间,其实在返回的指针之前,有一个很小的内存中保存了该内存块的信息。
1typedef long Align;/*按照long类型的边界对齐*/
2union header/*块的头部*/
3{
4 struct
5 {
6 union header *ptr;/*空闲块链表中的下一块*/
7 unsigned size;/*本块的大小*/
8 }s;
9 Align x;/*强制块对齐*/
10};
至此,我想你会明白free函数是如何知道该内存块大小的,在给free函数传入指针后,可以说对此指针进行偏移操作,也可以说减去固定head节点字节大小,指针指向保存内存大小之前
kmalloc与vmalloc
上文提到了malloc与free函数,那么我们知道这是用户空间动态申请内存用的函数,这个函数在各种操作系统上的使用是一样的,那么,在内核空间中如何申请内存呢?一般我们会用到 kmalloc()、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
1void *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参考方法:
1> |– 进程上下文,可以睡眠 GFP_KERNEL
2> |– 进程上下文,不可以睡眠 GFP_ATOMIC
3> | |– 中断处理程序 GFP_ATOMIC
4> | |– 软中断 GFP_ATOMIC
5> | |– Tasklet GFP_ATOMIC
6> |– 用于DMA的内存,可以睡眠 GFP_DMA|GFP_KERNEL
7> |– 用于DMA的内存,不可以睡眠 GFP_DMA |GFP_ATOMIC
vmalloc
1void *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.
总结
在内存中最直观的的不同可以用图来表示
kmalloc与vmalloc区别
- 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;
kmalloc与vmalloc共同特点
- 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;
则移山填海之难,
终有成功之日!
——孙文