Linux学习-内存管理篇（五）-内存分配函数

一、kmalloc、vmalloc、malloc

• malloc: 负责分配用户空间内存。malloc是标准的C库函数，在标准C库中，提供了malloc/free函数分配释放内存，这两个函数底层是由sark、brk、mmap、munmap这些系统调用实现的。

• kmalloc：负责分配内核空间内存。用于申请较小的、连续的物理内存。以字节为单位进行分配，在<linux/slab.h>中，内存由于是线性映射，所以使用kmalloc分配内存是十分高效的。内存只有在要被DMA访问的时候才需要物理上连续。

• vmalloc：负责分配内核空间内存。用于申请较大的内存空间，虚拟内存是连续的，以字节为单位进行分配，在<linux/vmalloc.h>中，vmalloc并不是简单的线性映射，它获取的内存并不是连续的，其转换逻辑比较复杂，分配速度上，自然vmalloc比kmalloc要慢。

另外还有几点值得一提：

1）寄存器是通过ioremap向vmalloc映射区去映射的，一旦调用ioremap，Linux就从vmalloc映射区找一个空闲的虚拟地址空间，然后去修改进程的页表，把这个虚拟地址往这个寄存器的物理地址去指。所以vmalloc映射区，除了vmalloc函数分配的内存会映射在该区域，设备的寄存器也同样会通过ioremap映射到该区域。

2）malloc、vmalloc申请内存后需要修改页表，而kmalloc申请内存时由于已经做了开机线性映射，所以不需要修改页表。

3）一般情况下在驱动程序中都是调用kmalloc()来给数据结构分配内存，而vmalloc()用在为活动的交换区分配数据结构，为某些I/O驱动程序分配缓冲区，或为模块分配空间。

二、常用函数总结：

用户空间：

API名称	是否物理连续	大小限制	单位	场景
malloc/calloc/realloc/free	不保证	堆申请	字节	calloc初始化为0；realloc改变内存大小。
alloca		栈申请	字节	向栈申请内存
mmap/munmap				将文件利用虚拟内存技术映射到内存中去。
brk、sbrk				虚拟内存到内存的映射。sbrk(0)返回program break地址，sbrk调整对的大小。

内核空间：

API名称	是否物理连续	大小限制	单位	场景
vmalloc/vfree	虚拟连续 物理不定	vmalloc区大小限制	页VMALLOC区域	可能睡眠，不能从中断上下文中调用，或其他不允许阻塞情况下调用。VMALLOC区域vmalloc_start~vmalloc_end之间，vmalloc比kmalloc慢，适用于分配大内存。

• 内核空间的slab:

API名称	是否物理连续	大小限制	单位	场景
kmalloc/kcalloc/krealloc/kfree	物理连续	64B-4MB (随slab而变)	2^order字 Normal区域	大小有限，不如vmalloc/malloc大。最大/小值由KMALLOC_MIN_SIZE/KMALLOC_SHIFT_MAX，对应64B/4MB。从/proc/slabinfo中的kmalloc-xxxx中分配，建立在kmem_cache_create基础之上。
kmem_cache_create	物理连续	64B-4MB	字节大小，需对齐 Normal区域	便于固定大小数据的频繁分配和释放，分配时从缓存池中获取地址，释放时也不一定真正释放内存。通过slab进行管理。

• 内核空间的buddy:

API名称	是否物理连续	大小限制	单位	场景
__get_free_page/__get_free_pages	物理连续	4MB(1024页)	页 Normal区	__get_free_pages基于alloc_pages，但是限定不能使用HIGHMEM。
alloc_page/alloc_pages/free_pages	物理连续	4MB	页 Normal/Vmalloc都可	CONFIG_FORCE_MAX_ZONEORDER定义了最大页面数2^11，一次能分配到的最大页面数是1024。

参考：

http://www.cnblogs.com/wuchanming/p/4465155.html
http://www.cnblogs.com/arnoldlu/p/8251333.html