malloc、kmalloc、vmalloc ？

2022-09-25 / 2022-09-25 / 技术乱舞

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