genalloc — 通用内存分配器

genalloc 是 linux 内核提供的通用内存分配器，源码位于 lib/genalloc.c。这个分配器为独立于内核以外的内存块提供分配方法，采用的是最先适配原则，android 最新的ION 内存管理器对 ION_HEAP_TYPE_CARVEOUT 类型的内存就是采用的这个分配器。

1、基础数据结构

首先看下分配器用到的几个数据结构，struct gen_pool 用来描述一个内存池：

struct gen_pool {
rwlock_t lock; /* 链表读写锁 */
struct list_head chunks; /* 内存池中内存块的链表 */
int min_alloc_order; /* 内存池最小分配单元的阶数，大小为 2^min_alloc_order */
}; 在使用的时候需要向内存池中加入内存块，一个内存块即一大块连续的物理内存，用 struct gen_pool_chunk 来描述：

struct gen_pool_chunk {
spinlock_t lock; /* 操作内存块时用到的自旋锁 */
struct list_head next_chunk; /* 加入内存池的节点 */
unsigned long start_addr; /* 内存块的起始地址 */
unsigned long end_addr; /* 内存块的结束地址 */
unsigned long bits[0]; /* 内存块的位图 */
};

2、函数接口及调用方法

genalloc 用到的函数接口有下面几个：

/* 创建一个内存池，主要工作是完成 struct gen_pool 的初始化 */
struct gen_pool *gen_pool_create(int min_alloc_order, int nid);
/* 向内存池中加入内存块，addr 为起始地址，size 为大小 */
int gen_pool_add(struct gen_pool *pool, unsigned long addr, size_t size, int nid);
/* 销毁一个内存池 */
void gen_pool_destroy(struct gen_pool *pool);
/* 内存池分配内存的函数 */
unsigned long gen_pool_alloc(struct gen_pool *pool, size_t size);
/* 内存池释放内存的函数 */
void gen_pool_free(struct gen_pool *pool, unsigned long addr, size_t size);

对通用内存分配器的一般使用方法如下：

/* 初始化内存池，需要创建以及加入内存块，参数为：起始地址、大小、最小分配阶数 */
static void *mm_init(uint32_t addr, uint32_t size, uint32_t order)
{
struct gen_pool *pool;

pool = gen_pool_create(order, 0);
if (pool == NULL) {
return NULL;
}
if (gen_pool_add(pool, addr, size, 0) != 0) {
gen_pool_destroy(pool);
return NULL;
}
return pool;
}

/* 销毁内存池 */
static void mm_exit(void *handle)
{
gen_pool_destroy(handle);
}

/* 分配函数 */
static uint32_t mm_alloc(void *handle, uint32_t size)
{
return gen_pool_alloc(handle, size);
}

/* 释放函数 */
static void mm_free(void *handle, uint32_t addr, uint32_t size)
{
return gen_pool_free(handle, addr, size);
}

/* 提供给上一级内存管理器调用 */
struct xxx_mem_ops mm_ops = {
.init = mm_init,
.exit = mm_exit,
.alloc = mm_alloc,
.free = mm_free,
};

3、分配函数解析

genalloc 通过 gen_pool_alloc 函数来分配内存，下面我们分析一下这个函数的代码：

unsigned long gen_pool_alloc(struct gen_pool *pool, size_t size)
{
struct list_head *_chunk;
struct gen_pool_chunk *chunk;
unsigned long addr, flags;
int order = pool->min_alloc_order;
int nbits, bit, start_bit, end_bit;
if (size == 0)
return 0;
nbits = (size + (1UL << order) - 1) >> order; /* 计算申请的内存需要几个连续的最小单元 */
read_lock(&pool->lock);
list_for_each(_chunk, &pool->chunks) { /* 遍历内存池 */
chunk = list_entry(_chunk, struct gen_pool_chunk, next_chunk);
end_bit = (chunk->end_addr - chunk->start_addr) >> order; /* 计算当前内存池长度 */
end_bit -= nbits + 1;

spin_lock_irqsave(&chunk->lock, flags);
bit = -1;
while (bit + 1 < end_bit) { /* 循环查找最先适配的内存区 */
bit = find_next_zero_bit(chunk->bits, end_bit, bit + 1); /* 寻找为0的bit */
if (bit >= end_bit) /* 循环结束 */
break;

start_bit = bit; /* 起始位置 */
if (nbits > 1) { /* 如果申请的内存大于一个最小单元，查找连续的nbits个单元 */
bit = find_next_bit(chunk->bits, bit + nbits,bit + 1);
if (bit - start_bit < nbits)
continue;
}

addr = chunk->start_addr + ((unsigned long)start_bit << order); /* 计算申请的内存的起始地址 */
while (nbits--)
__set_bit(start_bit++, chunk->bits); /* 将申请到的单元全部标记为已用 */
spin_unlock_irqrestore(&chunk->lock, flags);
read_unlock(&pool->lock);
return addr;
}
spin_unlock_irqrestore(&chunk->lock, flags);
}
read_unlock(&pool->lock);
return 0;
}

因为是用的最先适配原则，所以逻辑比较简单，我们也可以根据自己的需求实现最适合分配器以及伙伴分配器。

附1、buddy 分配器

平台实现了一个 buddy 分配器，代码很精致：

struct buddy_unit {
uint8_t used:1; /* 1 if allocated, 0 if free */
uint8_t order:7; /* size of the region in buddy space */
};

struct buddy_pool {
uint32_t addr; /* the start addr of the buddy area */
uint32_t size; /* the total size of the buddy area */
uint32_t order; /* the base order of each unit */
uint32_t total; /* total units */
uint32_t free; /* unused units */
struct buddy_unit *bitmap; /* the bitmap of all buddy units */
spinlock_t lock;
};

struct buddy_pool *buddy_create(uint32_t addr, uint32_t size, uint32_t order)
{
struct buddy_pool *pool; /* buddy内存池 */
uint32_t end;
int index, uorder;
/* 以 2^order = 2^15 = 32KB 为管理单元修正参数 */
end = (addr + size) & ~((1 << order) - 1); /* buddy区结束地址 */
addr = addr & ~((1 << order) - 1); /* buddy区起始地址 */
if (end <= addr) {
return NULL;
}
/* 实例化buddy内存池 */
pool = kmalloc(sizeof(struct buddy_pool), GFP_KERNEL);
if (pool == NULL) {
return NULL;
}
pool->total = size >> order; /* buddy区以32KB为单元的内存块总数 */

/* 申请管理位图,每个单元占用一个字节 */
pool->bitmap = kzalloc(sizeof(struct buddy_unit) * pool->total, GFP_KERNEL);
if (pool->bitmap == NULL) {
kfree(pool);
return NULL;
}

/* 初始化各参数 */
pool->free = pool->total;
pool->addr = addr;
pool->size = size;
pool->order = order;
spin_lock_init(&pool->lock);

mdbg("create buddy: total=%d, order=%d\n", pool->total, pool->order);

/* initialize the bitmap orders */
index = 0;
uorder = BUDDY_MAX_ORDER; /* buddy区最大的分配阶数 */
while (index < pool->total) {
while (index + (1 << uorder) > pool->total) {
uorder--; /* e.g: 2^24 = 16MB, total = 2^9, uorder = 9 */
}
pool->bitmap[index].order = uorder; /* 只初始化buddy的第一个成员 */
index += 1 << uorder;
}

return pool;
}

uint32_t buddy_alloc(struct buddy_pool *pool, uint32_t size)
{
int i, order, buddy, index = -1;

/* 获取申请内存长度的order */
for (i = 0; i <= BUDDY_MAX_ORDER; i++) {
if ((1 << (pool->order + i)) >= size) {
break;
}
}
if (i > BUDDY_MAX_ORDER) {
minfo("size is too big: 0x%08x\n", size);
return 0;
}
order = i;

spin_lock(&pool->lock);
i = 0;
do { /* 扫描管理位图 */
mdbg("index = %d\n", index);
/* 判断当前内存单元是否已经被申请 */
if (pool->bitmap[i].used == 0) { /* 如果没有被申请 */
if (order == pool->bitmap[i].order) { /* 如果当前order与申请的order相同则跳出循环 */
/* matched order */
index = i; /* 将编号赋给index */
break;
} else if (order < pool->bitmap[i].order) { /* 如果申请order小于当前order */
/* get the best fit buddy unit */
if (index == -1) { /* 如果是第一次匹配 */
index = i;
} else if (pool->bitmap[i].order < pool->bitmap[index].order) {/* 当前order小于上次匹配的order */
index = i; /* 则将匹配order更新为当前值,这样可以保证是用的最小的buddy来分裂 */
}
}
}
i += 1 << pool->bitmap[i].order; /* 移动到下一个可以分配单元 */
} while (i < pool->total);

/* no free buddy unit found */
if (index == -1) {
spin_unlock(&pool->lock);
minfo("no buddy found!\n");
return 0;
}

/* 如果申请order小于找到的order,则将找到的buddy分裂,直到相等 */
while (order < pool->bitmap[index].order) {
pool->bitmap[index].order--; /* 将当前buddy的order减一 */
/* Buddy# = Slot# ^ (1 << order) */
buddy = index ^ (1 << pool->bitmap[index].order); /* 找到分裂出来的buddy */
pool->bitmap[buddy].order = pool->bitmap[index].order; /* 将分裂出来的buddy的order也减一 */
}
pool->bitmap[index].used = 1; /* 将找到的buddy标记为已用 */
pool->bitmap[index].order = order; /* 重复赋值? */
pool->free -= (1 << order); /* 总的空闲单元数减去申请成功的单元数 */
spin_unlock(&pool->lock);
return pool->addr + (index << pool->order); /* 返回申请到内存块的起始物理地址 */
}