内存分配指南¶

Linux为内存分配提供了多种API。你可以使用 kmalloc 或 kmem_cache_alloc 系列分配小块内存，使用 vmalloc 及其派生产品分配大的几乎连续的区域，或者你可以用 alloc_pages 直接向页面分配器请求页面。也可以使用更专业的分配器，例如 cma_alloc 或 zs_malloc 。

大多数的内存分配API使用GFP标志来表达该内存应该如何分配。GFP的缩写代表 “(get free pages)获取空闲页”，是底层的内存分配功能。

（内存）分配API的多样性与众多的GFP标志相结合，使得“我应该如何分配内存？”这个问题不那么容易回答，尽管很可能你应该使用

kzalloc(<size>, GFP_KERNEL);

当然，有些情况下必须使用其他分配API和不同的GFP标志。

获取空闲页标志¶

GFP标志控制分配器的行为。它们告诉我们哪些内存区域可以被使用，分配器应该多努力寻找空闲的内存，这些内存是否可以被用户空间访问等等。内存管理API为GFP标志和它们的组合提供了参考文件，这里我们简要介绍一下它们的推荐用法:

大多数时候， GFP_KERNEL 是你需要的。内核数据结构的内存，DMA可用内存，inode 缓存，所有这些和其他许多分配类型都可以使用 GFP_KERNEL 。注意，使用 GFP_KERNEL 意味着 GFP_RECLAIM ，这意味着在有内存压力的情况下可能会触发直接回收；调用上下文必须允许睡眠。

如果分配是从一个原子上下文中进行的，例如中断处理程序，使用 GFP_NOWAIT 。这个标志可以防止直接回收和IO或文件系统操作。因此，在内存压力下， GFP_NOWAIT 分配可能会失败。有合理退路的分配应该使用 GFP_NOWARN 。

如果你认为访问保留内存区是合理的，并且除非分配成功，否则内核会有压力，你可以使用 GFP_ATOMIC 。

从用户空间触发的不可信任的分配应该是kmem核算的对象，必须设置 __GFP_ACCOUNT 位。有一个方便的用于 GFP_KERNEL 分配的 GFP_KERNEL_ACCOUNT 快捷键，其应该被核算。

用户空间的分配应该使用 GFP_USER 、 GFP_HIGHUSER 或 GFP_HIGHUSER_MOVABLE 中的一个标志。标志名称越长，限制性越小。

GFP_HIGHUSER_MOVABLE 不要求分配的内存将被内核直接访问，并意味着数据是可迁移的。

GFP_HIGHUSER 意味着所分配的内存是不可迁移的，但也不要求它能被内核直接访问。举个例子就是一个硬件分配内存，这些数据直接映射到用户空间，但没有寻址限制。

GFP_USER 意味着分配的内存是不可迁移的，它必须被内核直接访问。

你可能会注意到，在现有的代码中，有相当多的分配指定了 GFP_NOIO 或 GFP_NOFS 。从历史上看，它们被用来防止递归死锁，这种死锁是由直接内存回收调用到FS或IO路径以及对已经持有的资源进行阻塞引起的。从4.12开始，解决这个问题的首选方法是使用新的范围API，即 Documentation/core-api/gfp_mask-from-fs-io.rst.

其他传统的GFP标志是 GFP_DMA 和 GFP_DMA32 。它们用于确保分配的内存可以被寻址能力有限的硬件访问。因此，除非你正在为一个有这种限制的设备编写驱动程序，否则要避免使用这些标志。而且，即使是有限制的硬件，也最好使用dma_alloc* APIs。

GFP标志和回收行为¶

内存分配可能会触发直接或后台回收，了解页面分配器将如何努力满足该请求或其他请求是非常有用的。

GFP_KERNEL & ~__GFP_RECLAIM - 乐观分配，完全不尝试释放内存。最轻量级的模式，甚至不启动后台回收。应该小心使用，因为它可能会耗尽内存，而下一个用户可能会启动更积极的回收。

GFP_KERNEL & ~__GFP_DIRECT_RECLAIM (or GFP_NOWAIT ) - 乐观分配，不试图从当前上下文中释放内存，但如果该区域低于低水位，可以唤醒kswapd来回收内存。可以从原子上下文中使用，或者当请求是一个性能优化，并且有另一个慢速路径的回退。

(GFP_KERNEL|__GFP_HIGH) & ~__GFP_DIRECT_RECLAIM (aka GFP_ATOMIC ) - 非睡眠分配，有一个昂贵的回退，所以它可以访问某些部分的内存储备。通常从中断/底层上下文中使用，有一个昂贵的慢速路径回退。

GFP_KERNEL - 允许后台和直接回收，并使用默认的页面分配器行为。这意味着廉价的分配请求基本上是不会失败的，但不能保证这种行为，所以失败必须由调用者适当检查（例如，目前允许OOM杀手失败）。

GFP_KERNEL | __GFP_NORETRY - 覆盖默认的分配器行为，所有的分配请求都会提前失败，而不是导致破坏性的回收（在这个实现中是一轮的回收）。OOM杀手不被调用。

GFP_KERNEL | __GFP_RETRY_MAYFAIL - 覆盖默认的分配器行为，所有分配请求都非常努力。如果回收不能取得任何进展，该请求将失败。OOM杀手不会被触发。

GFP_KERNEL | __GFP_NOFAIL - 覆盖默认的分配器行为，所有分配请求将无休止地循环，直到成功。这可能真的很危险，特别是对于较大的需求。

选择内存分配器¶

分配内存的最直接的方法是使用kmalloc()系列的函数。而且，为了安全起见，最好使用将内存设置为零的例程，如kzalloc()。如果你需要为一个数组分配内存，有kmalloc_array()和kcalloc() 辅助程序。辅助程序struct_size()、array_size()和array3_size()可以用来安全地计算对象的大小而不会溢出。

可以用 kmalloc 分配的块的最大尺寸是有限的。实际的限制取决于硬件和内核配置，但是对于小于页面大小的对象，使用 kmalloc 是一个好的做法。

用 kmalloc 分配的块的地址至少要对齐到ARCH_KMALLOC_MINALIGN字节。对于2的幂的大小，对齐方式也被保证为至少是各自的大小。

用kmalloc()分配的块可以用krealloc()调整大小。与kmalloc_array()类似：以krealloc_array() 的形式提供了一个用于调整数组大小的辅助工具。

对于大量的分配，你可以使用vmalloc()和vzalloc()，或者直接向页面分配器请求页面。由vmalloc 和相关函数分配的内存在物理上是不连续的。

如果你不确定分配的大小对 kmalloc 来说是否太大，可以使用kvmalloc()及其派生函数。它将尝试用kmalloc分配内存，如果分配失败，将用 vmalloc 重新尝试。对于哪些GFP标志可以与 kvmalloc 一起使用是有限制的；请看kvmalloc_node()参考文档。注意， kvmalloc 可能会返回物理上不连续的内存。

如果你需要分配许多相同的对象，你可以使用slab缓存分配器。在使用缓存之前，应该用 kmem_cache_create()或kmem_cache_create_usercopy()来设置缓存。如果缓存的一部分可能被复制到用户空间，应该使用第二个函数。在缓存被创建后，kmem_cache_alloc()和它的封装可以从该缓存中分配内存。

当分配的内存不再需要时，它必须被释放。你可以使用kvfree()来处理用 kmalloc 、 vmalloc 和 kvmalloc 分配的内存。slab缓存应该用kmem_cache_free()来释放。不要忘记用 kmem_cache_destroy()来销毁缓存。

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