3. 内存分配API（上）：kmalloc、kzalloc、kcalloc、krealloc的使用场景、GFP标志位详解

在Linux设备驱动开发中，内核态的内存分配与用户态有着本质区别。驱动无法使用malloc或free，必须通过内核提供的专用API来申请和释放内存。本章聚焦于最常用的四个分配函数——kmalloc、kzalloc、kcalloc、krealloc，并深入解析决定分配行为的GFP标志位。

3.1 核心分配函数族

这四个函数均分配物理连续的内存，适用于DMA缓冲区、设备I/O寄存器映射、协议控制块等场景。它们的原型定义在<linux/slab.h>中。

3.1.1 代码示例：四种API的基本用法

#include <linux/slab.h>
#include <linux/device.h>

struct my_dev {
    u32 id;
    char name[32];
    void __iomem *regs;
};

/* 1. kmalloc：分配原始内存 */
struct my_dev *dev1 = kmalloc(sizeof(*dev1), GFP_KERNEL);
if (!dev1)
    return -ENOMEM;
/* 注意：dev1指向的内存内容未定义，必须手动初始化 */

/* 2. kzalloc：分配并清零 */
struct my_dev *dev2 = kzalloc(sizeof(*dev2), GFP_KERNEL);
if (!dev2)
    return -ENOMEM;
/* dev2->id == 0, dev2->name全零，安全可靠 */

/* 3. kcalloc：分配数组 */
struct my_dev **dev_array = kcalloc(10, sizeof(*dev_array), GFP_KERNEL);
if (!dev_array)
    return -ENOMEM;
/* 自动处理 10 * sizeof(指针) 的乘法溢出 */

/* 4. krealloc：扩展缓冲区 */
u8 *buf = kmalloc(128, GFP_KERNEL);
if (!buf)
    return -ENOMEM;
u8 *new_buf = krealloc(buf, 256, GFP_KERNEL);
if (!new_buf) {
    kfree(buf);  /* krealloc失败时原指针仍有效，需手动释放 */
    return -ENOMEM;
}
/* 成功后，buf指针失效，应使用new_buf */
buf = new_buf;

3.2 GFP标志位详解

GFP（Get Free Page）标志位是内存分配行为的“控制寄存器”，它决定了分配器在内存紧张时的行为、允许使用的内存区域、以及是否允许阻塞。标志位通过位掩码组合使用，常见形式为GFP_KERNEL、GFP_ATOMIC等。

3.2.1 三大核心标志位族

3.2.2 常用组合标志

内核预定义了若干组合标志，覆盖绝大多数使用场景：

3.3 GFP标志位选择流程图

下面的SVG流程图展示了驱动开发中GFP标志位的决策路径，帮助你在不同上下文中快速选择正确的标志位。

3.4 实际驱动场景中的GFP选择

不同的驱动模块和上下文对GFP标志位有严格要求。下表总结了常见场景的推荐选择：

3.5 内存释放与调试

所有通过上述API分配的内存，都必须使用kfree释放：

void kfree(const void *ptr);

3.6 本章小结

• kmalloc：基础分配，内容未初始化，适合需要手动填充的场景。
• kzalloc：分配并清零，推荐用于结构体和安全敏感数据。
• kcalloc：数组分配，内置溢出保护，适合批量对象。
• krealloc：动态调整大小，注意失败时原指针仍有效。
• GFP_KERNEL：进程上下文首选，支持睡眠和回收。
• GFP_ATOMIC：原子上下文唯一选择，成功率较低。
• __GFP_DMA / __GFP_DMA32：用于特定物理地址范围的DMA缓冲区。