在 Linux 内核中，内存分配是一个核心任务，系统提供了多个 API 函数来分配不同类型的内存。这些函数包括 kmalloc、vmalloc、kvmalloc 和其他派生函数，例如用户态的 malloc 和 calloc。以下是对这些函数及其相关内容的详细解析。

kmalloc

kmalloc 是 Linux 内核中最常用的内存分配函数。它用于分配内核中的物理连续内存块。底层通过 伙伴系统（Buddy System） 分配物理页。

void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);

size: 需要分配的字节数。
flags: 内存分配标志（GFP_KERNEL, GFP_ATOMIC 等），控制分配行为。

对应的物理页分配函数

alloc_pages 是 kmalloc 底层调用的核心函数之一，用于分配物理页。

struct page *alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order);

gfp_mask: 分配标志，与 kmalloc 使用的 GFP 标志一致。 order: 分配的页阶数，order = log~2(size / PAGE_SIZE)。 返回值是一个指向分配的 struct page 的指针。

内存映射

alloc_pages 分配的内存以页为单位，kmalloc 通过内核直接映射到虚拟地址空间，返回虚拟地址。

示例

直接调用 alloc_pages 分配物理页：

#include <linux/gfp.h>
#include <linux/mm.h>

struct page *page = alloc_pages(GFP_KERNEL, 0);  // 分配一个页（4 KB）
if (!page) {
    printk(KERN_ERR "Failed to allocate pages\n");
}

// 将 page 转换为虚拟地址
void *virt_addr = page_address(page);

// 使用分配的内存...

__free_pages(page, 0);  // 释放页

特点

分配的内存是物理上连续的。 用于对性能要求较高的场景，例如 DMA（直接内存访问）。 内存分配可能会阻塞，具体取决于分配标志。

使用示例

#include <linux/slab.h>

void *buffer = kmalloc(1024, GFP_KERNEL);
if (!buffer) {
    printk(KERN_ERR "Failed to allocate memory\n");
}

// 使用 buffer

kfree(buffer);

常见分配标志

GFP_KERNEL: 常规内存分配，可能会引发调度。
GFP_ATOMIC: 原子性分配，不会引发调度，适用于中断上下文。
GFP_DMA: 分配适用于 DMA 的内存。

vmalloc

vmalloc 用于分配虚拟地址空间的内存，分配的内存块不需要物理连续。

void *vmalloc(unsigned long size);

size: 需要分配的内存大小。

对应的物理页分配函数

alloc_pages 或 __get_free_pages
vmalloc 会通过 alloc_pages 分配多个物理页。 这些物理页的虚拟地址通过页表映射到一个连续的虚拟地址空间。

内存映射

内核调用 vm_map_ram 或类似机制，将分配的物理页映射到虚拟地址。
使用 vmalloc 时，vmalloc_area_struct 记录了虚拟地址范围及其对应的物理页。

示例

直接调用 alloc_pages 并构造 vmalloc 风格的虚拟地址映射：

#include <linux/vmalloc.h>
#include <linux/mm.h>

// 使用 vmalloc
void *buffer = vmalloc(1024 * 1024);  // 分配 1 MB
if (!buffer) {
    printk(KERN_ERR "Failed to allocate virtual memory\n");
}

// vmalloc 内部会使用 alloc_pages 分配多个物理页，并将其映射到 buffer 的虚拟地址

vfree(buffer);  // 释放内存

特点

分配的内存是虚拟连续的，但物理内存可能是分散的。 适用于大块内存分配，但性能稍差，因为访问需要页表转换, 常用于对物理连续性要求不高的场景，例如大块缓冲区。

使用示例

#include <linux/vmalloc.h>

void *buffer = vmalloc(1024 * 1024);
if (!buffer) {
    printk(KERN_ERR "Failed to allocate memory\n");
}

// 使用 buffer

vfree(buffer);

kvmalloc

kvmalloc 是 kmalloc 和 vmalloc 的组合，它首先尝试使用 kmalloc 分配内存（物理连续），如果失败则退回到 vmalloc（虚拟连续）。

void *kvmalloc(size_t size, gfp_t flags);

size: 分配的大小。
flags: 分配标志，与 kmalloc 的标志一致。

特点

提供了一种统一的内存分配接口。
推荐在不确定分配大小是否适合 kmalloc 时使用。

使用示例

#include <linux/mm.h>

void *buffer = kvmalloc(1024 * 1024, GFP_KERNEL);
if (!buffer) {
    printk(KERN_ERR "Failed to allocate memory\n");
}

// 使用 buffer

kvfree(buffer);

内核页分配总结

malloc，calloc 和 realloc

这些函数属于用户态函数，在 C 标准库中定义，与内核空间无关。

区别

相关函数

free：释放 malloc，realloc 和 calloc 分配的内存。

使用示例

#include <stdlib.h>

int *arr = malloc(10 * sizeof(int));
if (!arr) {
    perror("Failed to allocate memory");
    exit(1);
}

// 使用 arr

free(arr);

比较和选择

注意事项

内核空间内存分配限制

内核空间内存分配会消耗系统资源，不建议长期分配大块内存。
避免频繁分配和释放内存，可能导致内存碎片化。

释放内存

kmalloc -> kfree vmalloc -> vfree kvmalloc -> kvfree

分配标志

根据代码运行环境选择合适的标志（GFP_KERNEL, GFP_ATOMIC 等）。

大块内存优先使用 vmalloc 或 kvmalloc 避免使用 kmalloc 申请大块内存，容易失败。

通过选择合适的内存分配函数，能够有效管理内存并优化性能。