Linux内核中的内存

Linux内核中的内存

页

内核把物理页作为内存管理的基本单位，尽管处理器的最小可寻址单位通常为字节，但是MMU（内存管理单元，管理内存并把虚拟地址转换为物理地址的硬件）通常以页作为单位进行处理。大多数32位体系结构支持4KB的页，内核用struct page结构表示系统的物理页，这个page与物理页相关，而并非与虚拟页相关。页的拥有者可能是用户空间进程、动态分配的内核数据、静态内核代码或页高速缓存等。

 

区

由于有些页位于内存特定的物理地址上，所以不能将其用于一些特定的任务。故内核把页分成不同的区，分别是ZONE_DMA、ZONE_DMA32、ZONE_NORMAL和ZONE_HIGHMEM(高端内存，其中的页并不能永久地映射到内核地址空间)。每个区都用struct zone结构体表示，对于32位的X86上，ZONE_DMA包含的页在0-16MB的内存范围里，ZONE_NORMAL是从16MB到896MB的所有物理内存，ZONE_HIGHMEM是高于896MB的所有物理内存。需要注意的是，不是所有的体系结构都定义了全部区，比如X86-64没有ZONE_HIGHMEM区。

 

如果需要以页为单位的一族连续物理页时，尤其只需要一两页时，有些低级页函数很有用。alloc_page(返回页结构指针)+page_address=__get_free_pages(返回逻辑地址指针)。

 

如果需要连续的物理页，除了使用上面说的低级页函数外，还可以使用kmalloc函数，传递给这个函数的常用标志GFP_KERNEL和GPF_ATOMIC。其中GPF_ATOMIC用在中断处理程序、下半部、持有自旋锁以及其他不能睡眠的地方；GPF_KERNEL是常用分配方法，可能会阻塞，在睡眠安全时用在进程上下文中；GPF_NOIO这种分配可以阻塞，但不会启动磁盘I/O。

 

如果不需要连续的物理地址，只要连续的虚拟地址，可以使用vmalloc函数，但是由于物理地址的不连续性，导致通过vmalloc获得的页必须一个个的进行映射，这就导致比直接内存映射大的多的TLB（转换旁路缓存，用来缓存虚拟地址到物理地址的映射关系）抖动，所以，迫不得已不用该函数，典型的就是为了获得大块内存时，比如模块动态加载。

 

如果需要从高端内存进行分配，我们知道高端内存(物理地址高于896MB)中的页被映射到3GB-4GB上，我们应该使用alloc_pages获得页指针，而不能用__get_free_pages或kmalloc，因为这两个函数返回的都是逻辑地址，而不是page结构，这两个函数分配的内存当前有可能还没有映射到内核的虚拟空间。如果需要将获得的页永久映射到内核地址空间，可以使用kmap函数，这个函数可以睡眠，因此只能在进程上下文使用，因为允许永久映射的数量是有限的，所以当不需要高端内存时，应该用kunmap解除映射。如果需要获得的页临时映射到内核地址空间，可以使用kmap_atomic函数，它不能睡眠，可以用在中断处理程序中，同样释放用kunmap_atomic函数。

 

如果需要创建和撤销很多大的数据结构，就需要考虑建立slab高速缓存了，它能极大提高对象分配和回收的性能。Slab层不是频繁地分配和释放内存，而是为你把事先分配好的对象存放到高速缓存中，当你需要一块新的内存来存放数据结构时，slab层一般无须另外去分配内存，而只需要从高速缓存中得到这个对象。

 

Slab层把不同的对象分为高速缓存组，每个高速缓存组中存放不同类型的对象，也就是每个对象对应一个高速缓存。每一个高速缓存又被划分成多个slab，slab由一个或多个物理上连续的页组成。每个slab处于三种状态之一：满、部分满或空，当内核的某一部分需要一个新的对象时，先从部分满的slab中进行分配，如果没有部分满的slab，就从空的slab中进行分配，如果没有空的slab，就要创建一个slab，这样能减少碎片。每一个高速缓存用struct kmem_cache结构体表示，同时slab也有struct slab结构体。

 

Slab分配器的使用

struct kmem_cache *task_struct_cachep;

task_struct_cachep=kmem_cache_create(“task_struct”,sizeof(task_struct),ARCH_MIN_TASKALIGN,SLAB_PANIC|SLAB_NOTRACK,NULL); //创建高速缓存

struct task_struct *tsk;

tsk=kmem_cache_alloc(task_struct_cachep,GPF_KERNEL); //从缓存中分配

…..

kmem_cache_free(task_struct_cachep,tsk);  //从缓存中释放

kmem_cache_destroy(task_struct_cachep);  //撤销高速缓存

 

内核栈

每个进程都有两个页的内核栈，32位和64位体系结构的页面大小分别是4KB和8KB，所以内核栈的大小分别是8KB和16KB。由于连续两页有时难以寻找到，所以引入单页内核栈，当我们使用只有一个页面的内核栈的时候，中断处理程序就不放在栈里了，我们为每个进程提供一个用于中断处理程序的栈，即中断栈，这样中断处理程序不用再和被中断进程共享一个内核栈。总的来说，内核栈可以是1页页可以是2页，栈的大小因此在4-16KB的范围，历史上，中断处理程序和被中断的进程共享一个栈，不过当1页栈被激活，中断处理程序就获得自己的栈。

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