kmalloc VS kmem_cache_alloc

Linux内核为需要动态分配内存的内核程序提供了kmalloc/kfree/kcalloc/krealloc函数接口，它们分别对应于C标准库的malloc/free/calloc/krealloc。除此之外，Linux还提供了kmem_cache_xxx系列系统调用，以提供比上述接口更低的时间复杂度和空间复杂度，那么两者的效率究竟能差多少，它们又各自适合于何种场合呢？

Linux内存系统的层次结构

为了保证灵活性，Linux内存分配系统是分层设计的，这种层次设计使得整个设计更加明晰，每个层次都能简单而有效地进行局部优化，所以一般也能提供更好的性能，当然扩展性也更好了，不然SLUB[1]的出现就不可能那么轻松自然了。Linux内存系统自上而下分成以下几部分：

单位	接口	算法
动态大小	kmalloc/kfree/krealloc/kcalloc	按大小组织的缓存数组
固定大小	kmem_cache_create/kmem_cache_destroy kmem_cache_alloc/kmem_cache_free	Slab[2]
2^n页	alloc_pages/free_pages __get_free_pages/__free_pages	伙伴算法

kmalloc相对于kmem_cache_alloc的时间复杂度

因为kmalloc是基于kmem_cache_create实现的，那么时间效率上kmalloc肯定是占不到任何便宜了，那么究竟能差多少呢？让我们先来看看相关代码：

79  static inline void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags)     80  {     81      if (__builtin_constant_p(size)) {     82          int i = 0;     83  #define CACHE(x) \     84          if (size <= x) \     85              goto found; \     86          else \     87              i++;     88  #include "kmalloc_sizes.h"     89  #undef CACHE     90          {     91              extern void __you_cannot_kmalloc_that_much(void);     92              __you_cannot_kmalloc_that_much();     93          }     94  found:     95          return kmem_cache_alloc((flags & GFP_DMA) ?     96              malloc_sizes[i].cs_dmacachep :     97              malloc_sizes[i].cs_cachep, flags);     98      }     99      return __kmalloc(size, flags);    100  }

出于效率上的考虑，上述函数为被声明为内联编译，81行的__builtin_constant_p是gcc的内建函数[3]，它能够在编译时判定它的参数是否是编译时常量，如果是它将返回真，因为此函数为内联函数，并且__builtin_constant_p的参数为整型变量，所以判定仍有效。这也就意味着，如果你用如下方式调用kmalloc：

ptr = kmalloc(128, GTP_KERNEL);

实际执行的将是82-79行的代码。为了能将这部分代码展开，我们不得不参考文件kmalloc_sizes.h的内容：

1  #if (PAGE_SIZE == 4096)      2          CACHE(32)      3  #endif      4          CACHE(64)      5  #if L1_CACHE_BYTES < 64      6          CACHE(96)      7  #endif      8          CACHE(128)      9  #if L1_CACHE_BYTES < 128     10          CACHE(192)     11  #endif     12          CACHE(256)     13          CACHE(512)     14          CACHE(1024)     15          CACHE(2048)     16          CACHE(4096)     17          CACHE(8192)     18          CACHE(16384)     19          CACHE(32768)     20          CACHE(65536)     21          CACHE(131072)     22  #ifndef CONFIG_MMU     23          CACHE(262144)     24          CACHE(524288)     25