Linux 内存管理 kmalloc 和 vmalloc

在 Linux 系统中，如果需要在用户空间申请动态内存，可以使用 malloc() 函数。而在内核空间，例如在设备驱动程序或者内核模块中动态开辟内存，则需要使用 kmalloc()、kzalloc() 和 vmalloc() 等函数。下面我们逐一介绍这几个函数的特点和使用方法。

kmalloc 函数

函数原型：

void *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。
　　
较常用的参数 flags（分配内存的方法）有：

• 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 的参考用法：

• 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_ATOMIC
  • Tasklet：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

对应的内存释放函数为：

void kfree(const void *objp);

kzalloc 函数

kzalloc() 函数与 kmalloc() 非常相似，参数及返回值是一样的，可以说是前者是后者的一个变种，因为 kzalloc() 实际上只是额外附加了 __GFP_ZERO 标志。也就是说，kzalloc() 除了申请内核内存外，还会对申请到的内存内容清零（强制清零）。

/**
 * kzalloc - allocate memory. The memory is set to zero.
 * @size: how many bytes of memory are required.
 * @flags: the type of memory to allocate (see kmalloc).
 */
static inline void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags)
{
    return kmalloc(size, flags | __GFP_ZERO);
}

kzalloc() 对应的内存释放函数也是 kfree()。

vmalloc 函数

函数原型：

void *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了。

对应的内存释放函数为：

void vfree(const void *addr);

kmalloc 和 vmalloc 对比

kmalloc() 和 vmalloc() 的共同特点是：

• 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。

kmalloc() 和 vmalloc() 的区别是：

• 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。

一般情况下，内存只有在要被 DMA 访问的时候才需要物理上连续，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。

另外，需要注意，由于 vmalloc() 和 vfree() 可以睡眠，因此不能从中断上下文调用。

释放内存

无论是用户空间还是内核空间，动态申请的内存使用完后都必须释放，否则会造成内存泄漏，如果内存泄漏发生在内核空间，则会造成系统崩溃。各动态内存申请函数对应的释放函数如下表所示。