Linux 内存分配流程及 Kmalloc 解析

上一次咱们分析了 Linux 的启动流程和初始化流程,今天主要分析一下内存方面的初始化和常见的内存分配方式。

在 start_kernel 内核初始化函数中,一共调用 86 个函数去初始化,其中有一个 mm_init 函数,用以初始化内存。

  1. start_kernel 
  2.     |--->mm_init 
  3.         |--->mem_init 

linux4.14/init/main.c

在 mem_init 函数中会初始化伙伴系统和 slab 分配器。

先说两个概念:

外部碎片:有一段小内存,夹在两个大内存中间,两个大内存已经被分配给进程,这一段小内存由于过小,不够申请者使用,就一直空闲。

内部碎片:一个进程申请了一段内存,可是这个进程从来没有全部使用,一直有最后的一段内存没有使用。

为了解决这两个问题,就出现了伙伴系统和 slab 分配器。伙伴系统解决外部碎片问题,slab 分配器解决内部碎片问题。

1、伙伴系统基于页分配,一次分配多页,这样就不会出现夹在中间的小内存。

2、slab 分配器基于字节来分配,特别适用于需要频繁分配几十个字节的结构体,我们经常使用的 kmalloc 就是基于 slab 分配器。

3、其实所有的分配方式最底层都是伙伴系统,它先分配好一段大的内存,然后 slab 再从其中分配小的内存。

具体分析请看链接:

https://www.cnblogs.com/arnoldlu/p/8251333.html

这里列出了常见的内存分配 API 接口。

其中最常用的就是 malloc 和 kmalloc,区别在于一个在用户空间,一个在内核空间,并且 kmalloc 的使用需要注意竞争,需要指明 flag 。

  1. void *kmalloc(size_t sizeint flags); 

内核编程(驱动编程)一定要注意竞争问题,重要的数据或者内存使用前后一定要加锁。

在 kmalloc 的使用过程中,常用标志位:GFP_KERNEL、GFP_ATOMIC、GFP_USER、GFP_HIGHUSER、GFP_NOIO、GFP_NOFS。

前两个最常用,GFP_KERNEL 代表在使用 kmalloc 分配内存时,如果内存准备不足,会等待,也就是会睡眠。GFP_ATOMIC 代表使用 kmalloc 分配内存时,如果内存准备不足,会立刻返回,不会引起睡眠,适合在中断上下文或者进程上下文中使用。

补充:

1、基于 slab 分配器,出现了 slob 和 slub 分配器。在多核大系统大内存中,一般使用 slub 分配器,在极小的嵌入式系统中,一般使用 slob 分配器(只有600多行代码)。

2、有的人可能知道 Linux 有一个 bootmem 分配器,这个是在Linux初始化过程中的一个临时分配器,他会在 setup_arch 函数中初始化,然后在 mm_init 中关掉,只是在伙伴系统出现之前的临时使用。

bootmem 分配器按块进行分配,颗粒度很大,不够精细,比较浪费内存。bootmem 分配器只会在 start_kernel 函数和mm_init 函数之前存在,中间的函数会调用它进行内存分配。

  1. start_kernel 
  2.     |--->setup_arch 
  3.         |--->paging_init 
  4.             |--->bootmem_init 

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