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Linux通過(guò)一系列高效的內(nèi)存分配函數(shù)來(lái)滿足不同場(chǎng)景下的內(nèi)存需求
無(wú)論是用戶空間還是內(nèi)核空間，Linux都提供了多種內(nèi)存分配函數(shù)，確保內(nèi)存資源能夠得到合理的利用
本文將詳細(xì)介紹Linux中的內(nèi)存分配函數(shù)，幫助讀者更好地理解Linux內(nèi)存管理機(jī)制
用戶空間內(nèi)存分配函數(shù) 在用戶空間中，內(nèi)存分配主要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)C庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)
這些函數(shù)包括`malloc`、`calloc`、`realloc`和`alloca`等
1.malloc函數(shù) `malloc`函數(shù)用于在堆區(qū)分配一塊指定大小的內(nèi)存空間
其原型為`- void malloc(size_t size)`
如果分配成功，`malloc`返回一個(gè)指向分配內(nèi)存的指針；否則，返回`NULL`
`malloc`函數(shù)不會(huì)初始化分配的內(nèi)存區(qū)域，因此分配的內(nèi)存中可能包含垃圾數(shù)據(jù)
2.calloc函數(shù) `calloc`函數(shù)分配并初始化一塊連續(xù)的內(nèi)存空間
其原型為`- void calloc(size_t num, size_tsize)`
`calloc`會(huì)分配`num`個(gè)大小為`size`的對(duì)象，并將所有字節(jié)初始化為0
這使得`calloc`非常適合用于需要初始化為零的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
3.realloc函數(shù) `realloc`函數(shù)用于改變之前通過(guò)`malloc`或`calloc`等函數(shù)分配的內(nèi)存塊的大小
其原型為`- void realloc(void ptr, size_t new_size)`
`realloc`可以擴(kuò)大或縮小已分配的內(nèi)存區(qū)域
如果內(nèi)存無(wú)法重新分配，`realloc`返回`NULL`，原有的內(nèi)存區(qū)域保持不變
4.alloca函數(shù) `alloca`函數(shù)是一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)，某些編譯器支持
它在棧上動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存，不需要手動(dòng)釋放
然而，由于棧的大小有限，`alloca`可能導(dǎo)致棧溢出
此外，由于`alloca`分配的內(nèi)存由編譯器自動(dòng)管理，其生命周期從程序開始到結(jié)束，因此使用`alloca`時(shí)需要格外小心
在用戶空間中，使用這些內(nèi)存分配函數(shù)后，必須確保在不再需要內(nèi)存時(shí)調(diào)用相應(yīng)的內(nèi)存釋放函數(shù)來(lái)釋放它，以避免內(nèi)存泄漏
對(duì)于`malloc`、`calloc`和`realloc`分配的內(nèi)存，應(yīng)使用`free`函數(shù)進(jìn)行釋放
內(nèi)核空間內(nèi)存分配函數(shù) 在內(nèi)核空間中，內(nèi)存分配主要通過(guò)Linux內(nèi)核提供的內(nèi)存分配函數(shù)實(shí)現(xiàn)
這些函數(shù)包括`kmalloc`、`vmalloc`、`get_free_pages`、`alloc_pages`等
1.kmalloc函數(shù) `kmalloc`函數(shù)用于分配指定大小的連續(xù)物理內(nèi)存塊，并返回指向該內(nèi)存塊的指針
其原型為`void kmalloc(size_t size, gfp_tflags)`
`flags`參數(shù)用于控制內(nèi)存分配的行為和特性
`kmalloc`函數(shù)與`malloc`函數(shù)類似，但前者用于內(nèi)核態(tài)的內(nèi)存分配，后者用于用戶態(tài)
`kmalloc`函數(shù)在物理內(nèi)存中分配內(nèi)存，不會(huì)清除里面的原始數(shù)據(jù)
由于Linux內(nèi)存管理機(jī)制的原因，內(nèi)存只能按照頁(yè)面大小進(jìn)行分配
因此，當(dāng)需要分配的內(nèi)存較小時(shí)，系統(tǒng)仍會(huì)返回一個(gè)頁(yè)面的內(nèi)存，這可能導(dǎo)致內(nèi)存浪費(fèi)
為了優(yōu)化這種情況，內(nèi)核先為其分配一系列不同大小的內(nèi)存池，當(dāng)需要分配內(nèi)存時(shí)，系統(tǒng)會(huì)分配大于等于所需內(nèi)存的最小一個(gè)內(nèi)存池給它
`kmalloc`分配的內(nèi)存最小為32字節(jié)，最大為128KB
如果需要分配超過(guò)128KB的內(nèi)存，應(yīng)使用其他內(nèi)存分配函數(shù)，如`vmalloc`
`kmalloc`函數(shù)的`flags`參數(shù)非常關(guān)鍵，它決定了內(nèi)存分配的行為
最常用的標(biāo)志是`GFP_KERNEL`，表示當(dāng)當(dāng)前沒有足夠內(nèi)存分配時(shí)，進(jìn)程進(jìn)入睡眠狀態(tài)，待系統(tǒng)將緩沖區(qū)中的內(nèi)容SWAP到硬盤中后，獲得足夠內(nèi)存后再喚醒進(jìn)程，為其分配內(nèi)存
然而，`GFP_KERNEL`標(biāo)志會(huì)引起阻塞，因此不能在中斷上下文或持有自旋鎖的時(shí)候使用
在中斷處理函數(shù)、tasklet和內(nèi)核定時(shí)器等非進(jìn)程上下文中，應(yīng)使用`GFP_ATOMIC`標(biāo)志來(lái)申請(qǐng)內(nèi)存
`GFP_ATOMIC`標(biāo)志表示若不存在空閑頁(yè)，則不等待，直接返回
2.vmalloc函數(shù) `vmalloc`函數(shù)用于分配虛擬內(nèi)存，而不是連續(xù)的物理內(nèi)存
其原型為`void vmalloc(unsigned long size)`
分配的內(nèi)存可能分布在多個(gè)物理頁(yè)面上，但對(duì)進(jìn)程來(lái)說(shuō)是連續(xù)的
由于需要建立新的頁(yè)表，`vmalloc`的開銷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于`kmalloc`
`vmalloc`函數(shù)一般用在為只存在于軟件中（沒有對(duì)應(yīng)的硬件意義）的較大的順序緩沖區(qū)分配內(nèi)存
當(dāng)內(nèi)存沒有足夠大的連續(xù)物理空間可以分配時(shí)，可以使用`vmalloc`函數(shù)來(lái)分配虛擬地址連續(xù)但物理地址不連續(xù)的內(nèi)存
3.頁(yè)分配函數(shù) 在Linux中，內(nèi)存分配是以頁(yè)為單位的
32位系統(tǒng)中一頁(yè)為4KB，64位系統(tǒng)中一頁(yè)為8KB（具體根據(jù)平臺(tái)而定）
頁(yè)分配函數(shù)根據(jù)返回值類型的不同，分為返回物理頁(yè)地址和返回虛擬地址兩類
根據(jù)返回頁(yè)面數(shù)目分類，分為僅返回單頁(yè)面的函數(shù)和返回多頁(yè)面的函數(shù)
alloc_page和alloc_pages函數(shù) `alloc_page`和`alloc_pages`函數(shù)用于分配一個(gè)或多個(gè)連續(xù)的物理頁(yè)
它們返回分配的第一個(gè)頁(yè)的描述符而非首地址
這些函數(shù)定義在頭文件`/include/linux/gfp.h`中
__get_free_pages系列函數(shù) `__get_free_pages`系列函數(shù)是`kmalloc`函數(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，返回一個(gè)或多個(gè)頁(yè)面的虛擬地址
它們用于分配特定數(shù)量的連續(xù)物理頁(yè)（以2的冪為單位）和單個(gè)物理頁(yè)
其他內(nèi)核空間內(nèi)存分配函數(shù) 除了上述常見的內(nèi)存分配函數(shù)外，Linux內(nèi)核還提供了其他內(nèi)存分配函數(shù)，以滿足特定場(chǎng)景下的需求
dma_alloc_coherent函數(shù) `dma_alloc_coherent`函數(shù)在設(shè)備映射區(qū)域分配一塊連續(xù)的物理內(nèi)存，以便于DMA傳輸
分配的內(nèi)存對(duì)于處理器來(lái)說(shuō)是可直接訪問的，并且確保不會(huì)被內(nèi)核搶占或遷移
kzalloc函數(shù) `kzalloc`函數(shù)類似于`kmalloc`函數(shù)，但在分配內(nèi)存后將其所有字節(jié)初始化為0
這使得`kzalloc`非常適合用于需要初始化為零的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
kfree函數(shù) `kfree`函數(shù)用于釋放通過(guò)上述內(nèi)核內(nèi)存分配函數(shù)分配的內(nèi)存
其用法與用戶空間的`free`函數(shù)類似
內(nèi)存管理注意事項(xiàng) 在使用Linux內(nèi)存分配函數(shù)時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)： 1.內(nèi)存泄漏：確保在不再需要內(nèi)存時(shí)正確釋放它，以避免內(nèi)存泄漏
2.并發(fā)訪問：考慮到并發(fā)訪問和競(jìng)態(tài)條件的問題，可能需要對(duì)內(nèi)存訪問進(jìn)行同步
3.性能優(yōu)化：根據(jù)具體需求選擇適當(dāng)?shù)膬?nèi)存分配函數(shù)，以優(yōu)化性能
例如，對(duì)于小塊內(nèi)存的頻繁分配和釋放，可以使用slab分配器
結(jié)語(yǔ) Linux內(nèi)存分配函數(shù)是Linux操作系統(tǒng)中不可或缺的一部分
它們提供了高效、靈活的內(nèi)存管理機(jī)制，滿足了不同場(chǎng)景下的內(nèi)存需求
通過(guò)深入理解這些內(nèi)存分
