Linux-3.14.12内存管理笔记【kmalloc与kfree实现】【转】

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kmalloc()是基于slab/slob/slub分配分配算法上实现的，不少地方将其作为slab/slob/slub分配算法的入口，实际上是略有区别的。

现在分析一下其实现：

【file:/include/linux/slab.h】

/**

* kmalloc - allocate memory

* @size: how many bytes of memory are required.

* @flags: the type of memory to allocate.

*

* kmalloc is the normal method of allocating memory

* for objects smaller than page size in the kernel.

*

* The @flags argument may be one of:

*

* %GFP_USER - Allocate memory on behalf of user. May sleep.

*

* %GFP_KERNEL - Allocate normal kernel ram. May sleep.

*

* %GFP_ATOMIC - Allocation will not sleep. May use emergency pools.

* For example, use this inside interrupt handlers.

*

* %GFP_HIGHUSER - Allocate pages from high memory.

*

* %GFP_NOIO - Do not do any I/O at all while trying to get memory.

*

* %GFP_NOFS - Do not make any fs calls while trying to get memory.

*

* %GFP_NOWAIT - Allocation will not sleep.

*

* %__GFP_THISNODE - Allocate node-local memory only.

*

* %GFP_DMA - Allocation suitable for DMA.

* Should only be used for kmalloc() caches. Otherwise, use a

* slab created with SLAB_DMA.

*

* Also it is possible to set different flags by OR'ing

* in one or more of the following additional @flags:

*

* %__GFP_COLD - Request cache-cold pages instead of

* trying to return cache-warm pages.

*

* %__GFP_HIGH - This allocation has high priority and may use emergency pools.

*

* %__GFP_NOFAIL - Indicate that this allocation is in no way allowed to fail

* (think twice before using).

*

* %__GFP_NORETRY - If memory is not immediately available,

* then give up at once.

*

* %__GFP_NOWARN - If allocation fails, don't issue any warnings.

*

* %__GFP_REPEAT - If allocation fails initially, try once more before failing.

*

* There are other flags available as well, but these are not intended

* for general use, and so are not documented here. For a full list of

* potential flags, always refer to linux/gfp.h.

*/

static __always_inline void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags)

{

if (__builtin_constant_p(size)) {

if (size > KMALLOC_MAX_CACHE_SIZE)

return kmalloc_large(size, flags);

#ifndef CONFIG_SLOB

if (!(flags & GFP_DMA)) {

int index = kmalloc_index(size);

if (!index)

return ZERO_SIZE_PTR;

return kmem_cache_alloc_trace(kmalloc_caches[index],

flags, size);

}

#endif

}

return __kmalloc(size, flags);

}

kmalloc()的参数size表示申请的空间大小，而flags则表示分配标志。kamlloc的分配标志众多，各标志都分配标识特定的bit位，藉此可以多样组合。

GFP_USER：用于表示为用户空间分配内存，可能会引起休眠；

GFP_KERNEL：内核内存的常规分配，可能会引起休眠；

GFP_ATOMIC：该分配不会引起休眠，但可能会使用应急内存资源，通常用于中断处理中；

GFP_HIGHUSER：使用高端内存进行分配；

GFP_NOIO：分配内存时，禁止任何IO操作；

GFP_NOFS：分配内存时，禁止任何文件系统操作；

GFP_NOWAIT：分配内存时禁止休眠；

__GFP_THISNODE：分配内存时，仅从本地节点内存中分配；

GFP_DMA：从DMA内存中分配合适的内存，应仅使用于kmalloc的cache分配；

__GFP_COLD：用于请求分配冷热页中的冷页；

__GFP_HIGH：用于表示该分配优先级较高并可能会使用应急内存资源；

__GFP_NOFAIL：用于指示该分配不允许分配失败，该标志需要慎用；

__GFP_NORETRY：如果分配内存未能够直接获取到，则不再尝试分配，直接放弃；

__GFP_NOWARN：如果分配过程中失败，不上报任何告警；

__GFP_REPEAT：如果分配过程中失败，则尝试再次申请；

函数入口if判断内的__builtin_constant_p是Gcc内建函数，用于判断一个值是否为编译时常量，是则返回true，否则返回false。也就意味着如果调用kmalloc()传入常量且该值大于KMALLOC_MAX_CACHE_SIZE（即申请空间超过kmalloc()所能分配最大cache的大小），那么将会通过kmalloc_large()进行分配；否则都将通过__kmalloc()进行分配。如果通过kmalloc_large()进行内存分配，将会经kmalloc_large()->kmalloc_order()->__get_free_pages()，最终通过Buddy伙伴算法申请所需内存。

伙伴算法前面已经分析过了，不再赘述，接下来看__kmalloc()的实现：

【file:/mm/slub.c】

void *__kmalloc(size_t size, gfp_t flags)

{

struct kmem_cache *s;

void *ret;

if (unlikely(size > KMALLOC_MAX_CACHE_SIZE))

return kmalloc_large(size, flags);

s = kmalloc_slab(size, flags);

if (unlikely(ZERO_OR_NULL_PTR(s)))

return s;

ret = slab_alloc(s, flags, _RET_IP_);

trace_kmalloc(_RET_IP_, ret, size, s->size, flags);

return ret;

}

该函数同样判断申请是否超过最大cache大小，如果是则通过kmalloc_large()进行分配；接着通过申请大小及申请标志调用kmalloc_slab()查找适用的kmem_cache；最后通过slab_alloc()进行slab分配。

具体看一下kmalloc_slab()的实现：

【file:/mm/slab_commmon.c】

/*

* Find the kmem_cache structure that serves a given size of

* allocation

*/

struct kmem_cache *kmalloc_slab(size_t size, gfp_t flags)

{

int index;

if (unlikely(size > KMALLOC_MAX_SIZE)) {

WARN_ON_ONCE(!(flags & __GFP_NOWARN));

return NULL;

}

if (size <= 192) {

if (!size)

return ZERO_SIZE_PTR;

index = size_index[size_index_elem(size)];

} else

index = fls(size - 1);

#ifdef CONFIG_ZONE_DMA

if (unlikely((flags & GFP_DMA)))

return kmalloc_dma_caches[index];

#endif

return kmalloc_caches[index];

}

如果申请的大小超过KMALLOC_MAX_SIZE最大值，则返回NULL表示失败；如果申请大小小于192,且不为0，将通过size_index_elem宏转换为下标后，经size_index全局数组取得索引值，否则将直接通过fls()取得索引值；最后如果开启了DMA内存配置且设置了GFP_DMA标志，将结合索引值通过kmalloc_dma_caches返回kmem_cache管理结构信息，否则将通过kmalloc_caches返回该结构。

由此可以看出kmalloc()实现较为简单，起分配所得的内存不仅是虚拟地址上的连续存储空间，同时也是物理地址上的连续存储空间。这是有别于后面将会分析到的vmalloc()申请所得的内存。

此外再过一下kfree()的接口实现，该函数在多处均有实现，主要是在slab.c/slob.c/slub.c中，所以也说kmalloc()和kfree()是基于slab/slob/slub实现的。这里接前面的slub算法，主要分析一下slub.c中的kfree()实现：

【file:/mm/slub.c】

void kfree(const void *x)

{

struct page *page;

void *object = (void *)x;

trace_kfree(_RET_IP_, x);

if (unlikely(ZERO_OR_NULL_PTR(x)))

return;

page = virt_to_head_page(x);

if (unlikely(!PageSlab(page))) {

BUG_ON(!PageCompound(page));

kfree_hook(x);

__free_memcg_kmem_pages(page, compound_order(page));

return;

}

slab_free(page->slab_cache, page, object, _RET_IP_);

}

该函数实现简单，首先是经过trace_kfree()记录kfree轨迹，然后if (unlikely(ZERO_OR_NULL_PTR(x)))对地址做非零判断，接着virt_to_head_page(x)将虚拟地址转换到页面；再是判断if (unlikely(!PageSlab(page)))判断该页面是否作为slab分配管理，如果是的话则转为通过slab_free()进行释放，否则将进入if分支中；在if分支中，将会kfree_hook()做释放前kmemleak处理（该函数主要是封装了kmemleak_free()），完了之后将会__free_memcg_kmem_pages()将页面释放，同时该函数内也将cgroup释放处理。

kmalloc()和kfree()也就这么简单了。