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文章目录1 伙伴算法页框操作alloc_pages()2 slabslab机制要解决的问题使用高速缓存3 内存管理函数kmallockzallocvmallocvzalloc区别参考文章内核使用struct page结构体描述每个物理页也叫页框。内核在很多情况下需要申请连续的页框而且数量不定比如4个、5个、9个等。如果频繁地请求和释放不同大小的一组连续的页框必然导致在已分配的块内分散了许多小块的空闲页面由此带来的问题是即使有足够的空闲页框可以满足请求但要分配一个大块的连续页框可能无法满足请求。为了避免这种情况Linux内核引入了伙伴算法。
1 伙伴算法
伙伴算法把所有的空闲页框分为11个块链表每块链表中分布包含特定的连续页框内存空间在第i条链表中每个链表元素包含2的i次方个连续页框。 假设要申请一个256个页框的块先从256个页框的链表中查找空闲块如果没有就去512个页框的链表中找找到了则将页框块分为2个256个页框的块一个分配给应用另外一个移到256个页框的链表中。如果512个页框的链表中仍没有空闲块继续向1024个页框的链表查找如果仍然没有则返回错误。页框块在释放时会主动将两个连续的页框块合并为一个较大的页框块。 从上面可以知道Buddy算法一直在对页框做拆开合并拆开合并的动作。Buddy算法牛逼就牛逼在运用了世界上任何正整数都可以由2^n的和组成。这也是Buddy算法管理空闲页表的本质。
页框操作
alloc_pages()
static inline struct page *
alloc_pages(unsigned int gfp_mask, unsigned int order);该函数分配2的order次方个连续的页框并返回一个指针该指针指向第一个页page结构体如果出错返回NULL。可以使用下面这个函数把给定的页转为它的逻辑地址
void *page_address(struct page *page);该函数返回一个指针指向给定物理页当前所在的逻辑地址。
其他页框操作可以看这篇文章https://blog.csdn.net/qq_41683305/article/details/123966721
2 slab
在Linux中伙伴算法是以页为单位管理和分配内存。但是现实的需求却以字节为单位假如我们需要申请20Bytes总不能分配一页吧那此不是严重浪费内存。那么该如何分配呢slab分配器就应运而生了专为小内存分配而生。slab分配器分配内存以字节为单位。但是slab分配器并没有脱离伙伴算法而是基于伙伴算法分配的大内存进一步细分成小内存分配。 我们先来看一张图
kmem_cache是cache_chain上的一个元素kmem_cache描述了一个高速缓存每个高速缓存包含了一个slabs的列表这通常是一段连续的内存块。存在3种slab
slabs_fullslab都已经分配完slabs_partialslab部分分配slab_empty空slab或者没有对象被分配。
kmem_cache高速缓存以缓存对象的大小来区分所包含的三种slab都是链表里面有一个或多个slab每个slab由一个或多个连续的物理页组成在物理页上保存的才是对象。
slab是slab分配器的最小单位在实现上一个slab由一个或多个连续的物理页组成通常只有一页。单个slab可以在slab链表之间移动例如如果一个半满slab被分配了对象后变满了就要从slabs_partial中被删除同时插入到slabs_full中去。
slab机制要解决的问题
减少伙伴算法在分配小块连续内存时所产生的内部碎片将频繁使用的对象缓存起来减少分配、初始化和释放对象的时间开销通过着色技术调整对象以更好的使用硬件高速缓存
使用高速缓存
一个新的高速缓存是通过以下函数创建的
kmem_cache_t *kmem_cache_create(const char *name, size_t size, size_t align, unsigned long flags,void (*ctor)(void *, kmem_cache_t *, unsigned long),void (*dtor)(void *, kmem_cache_t *, unsigned long));
第一个参数是字符串存放着高速缓存的名字。第二个参数是高速缓存中每个元素的大小第三个参数就是高速缓存内第一个对象的偏移这用来确保在页内进行特定的对齐通常情况0就可以满足要求也就是标准对齐。flags是可选的设置项用来控制高速缓存的行为。
我们使用cat /proc/slabinfo可以看到系统所有的高速缓存 创建高速缓存之后就可以通过下列函数从中获取对象
void *kmem_cache_alloc(kmem_cache_t *cachep,int flags);该函数从给定的高速缓存cachep中返回一个指向对象的指针。如果高速缓存的所有slab中都没有空闲的对象那么slab层必须通过kmem_getpages()获取新的页flags的值传递给__get_free_pages()。
最后释放一个对象并把它返回给原先的slab可以使用下面的函数
void kmem_cache_free(kmem_cache_t *cachep,void *objp);这样就能把高速缓存cachep中的对象objp标记为空闲了。
要销毁一个高速缓存则调用
int kmem_cache_destroy(kmem_cache_t *cachep);同样也不能从中断上下文中调用这个函数因为它也可能会睡眠。调用该函数之前必须确保以下两个条件
高速缓存中的所有slab都必须为空在调用kmem_cache_destroy()期间不能再访问这个高速缓存
3 内存管理函数
kmalloc
void *kmalloc(size_t size, int flags);size是指要分配的内存的字节数。flags是分配标志它提供了多种kmalloc( )的行为
这个函数返回一个指向内存块的指针其内存块至少要有size大小所分配的内存区在物理上是连续的在出错时它返回NULL除非没有足够的内存可用否则内核总能分配成功。在使用kmalloc()时必须检查返回值是不是NULL。
kzalloc
void *kzalloc(size_t size, int flags);kzalloc的功能比kmalloc多了一步会将申请到连续物理内存数据置为0
vmalloc
void *vmalloc(unsigned long size);该函数返回一个指针指向逻辑上连续的一块内存区其大小至少为size。在发生错误时函数返回NULL。函数可能睡眠因此不能从中断上下文中进行调用也不能从其他不允许阻塞的情况下使用。
vzalloc
void *valloc(unsigned long size);vzalloc比vmalloc步骤多了一步将申请的逻辑地址连续的内存数据置为0。
区别
kmalloc和kzalloc申请的内存在物理上连续vmalloc和vzalloc申请的内存在物理上不需要连续它们在逻辑上连续。kmalloc和kzalloc申请的内存可由kfree函数释放
void kfree(const void *ptr);vmalloc和vzalloc申请的内存可由vfree函数释放
void vfree(void *addr);参考文章
https://zhuanlan.zhihu.com/p/36140017
https://www.cnblogs.com/cherishui/p/4246133.html
