一起读《奔跑吧Linux内核（第2版）卷1：基础架构》- 了解kmalloc、vmalloc、malloc
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一起读《奔跑吧Linux内核（第2版）卷1：基础架构》- 了解kmalloc、vmalloc、malloc
一起读《奔跑吧Linux内核（第2版）卷1：基础架构》- 了解kmalloc、vmalloc、malloc
飞书用户30132024年1月22日修改
Hello，大家好我是硬核王同学，是一名刚刚工作一年多的Linux工程师，很感谢EEWorld的本次活动，让我有机会参与评测这本和Linux内核相关的的这本书。
在计算机编程中，内存分配是程序设计中的关键问题之一，而kmalloc、vmalloc、malloc和new是常用的内存申请方式。kmalloc和vmalloc主要用于操作系统内核空间中的内存分配，而malloc和new则主要用于应用程序中的内存分配。本文将一起了解下这几种常用的内存申请方式及其特点。
一、kmalloc
（1）定义和特点
kmalloc是Linux内核中提供的用于分配内核空间中连续内存的函数。
其特点如下：
1.
连续内存分配：kmalloc分配的内存是连续的，适合需要对连续内存进行操作的场景。
2.
小内存块：kmalloc适用于分配小内存块，一般最大限制是128KB。
3.
物理内存映射：kmalloc分配的内存与物理内存进行了映射，可以直接访问物理地址，适合需要直接操作物理地址的场景。
（2）底层实现机制
kmalloc()函数的核心实现是slab机制。
类似于伙伴系统机制，在内存块中按照2的order字节来创建多个slab描述符，如16字节、32字节、64字节、128字节等大小，系统会分别创建kmalloc-16、kmalloc-32、kmalloc-64等slab描述符，在系统启动时这在creat_kmalloc_caches()函数中完成。
如要分配30字节的一小内存块，可以用“kmalloc(30,GFP_KERNEL)”实现，之后会从kmalloc-32 slab描述符中分配一个对象。
代码块
<include/linux/slab.h>
static __always_inline void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags)
{
int index = kmalloc_index(size);
return kmem_cache_alloc_trace(kmalloc_caches[indeex], flags, size);
}
kmalloc_index()函数可以用于查找使用的是哪个slab缓冲区，这很形象地展示了kmalloc()的设计思想。
（3）适用场景
kmalloc主要用于在内核空间中分配内存块，适用于以下情况：
1.
内核模块开发：在编写内核模块时，可能需要动态分配内存来存储数据结构、缓冲区或其他临时数据。
2.
驱动程序开发：在编写设备驱动程序时，可能需要分配内存来管理设备的状态、接收和发送数据等。
3.
内核组件开发：在开发或修改内核的组件时，可能需要分配内存来实现特定的功能或数据结构。
4.
内核线程和进程：内核线程或进程可能需要分配内存来存储上下文、堆栈或其他数据。
kmalloc的限制包括：
1.
仅能在内核空间中使用：kmalloc函数只能在内核空间中使用，无法直接在用户空间中调用。
2.
内存大小限制：kmalloc对分配的内存块大小有一定的限制，具体限制取决于系统设置和内核版本。
3.
内存泄漏风险：kmalloc分配的内存块需要手动释放，在不再使用时必须调用对应的kfree函数释放内存，否则可能导致内存泄漏。
（4）代码示例
以下是一个使用kmalloc分配内存的示例代码：
代码块
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/slab.h>
static char *buffer;
static int __init my_module_init(void)
{
// 分配100字节的内存块
buffer = kmalloc(100, GFP_KERNEL);
if (!buffer) {
printk(KERN_INFO "Failed to allocate memory\n");
return -ENOMEM;
}
// 使用分配的内存块
snprintf(buffer, 100, "Hello, world!");
printk(KERN_INFO "Buffer: %s\n", buffer);
return 0;
}
static void __exit my_module_exit(void)
{
// 释放内存块
kfree(buffer);
printk(KERN_INFO "Memory freed\n");
}
module_init(my_module_init);
module_exit(my_module_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");