4. 内存分配API（下）：vmalloc与vmap、ioremap、alloc_pages与__get_free_pages、slab分配器与kmem_cache

本章继续深入Linux内核内存分配的核心API。上一节我们讨论了以kmalloc为代表的连续物理内存分配器，本节将覆盖虚拟地址连续但物理地址可能不连续的vmalloc系列、用于映射外设寄存器的ioremap、底层页分配器alloc_pages/__get_free_pages，以及高性能对象缓存slab分配器。理解这些API的适用场景与性能特征，是编写高效设备驱动的关键。

4.1 vmalloc 与 vmap：虚拟连续映射

vmalloc 分配虚拟地址连续、但物理地址可能不连续的内存区域。它适用于需要大块内存但不需要物理连续性的场景，例如动态加载的内核模块、大型软件缓冲区等。其性能开销高于 kmalloc，因为需要建立新的页表映射。

#include <linux/vmalloc.h>

void *vmalloc(unsigned long size);
void vfree(const void *addr);

// 带标志的变体
void *vmalloc_flags(unsigned long size, gfp_t flags);

vmap 则将一个已分配的物理页数组（struct page **）映射到连续的虚拟地址空间。它不分配物理页，只建立映射。

void *vmap(struct page **pages, unsigned int count,
           unsigned long flags, pgprot_t prot);
void vunmap(const void *addr);

4.2 ioremap：外设寄存器映射

ioremap 是设备驱动中最常用的映射函数之一。它将外设的物理地址（寄存器或内存）映射到内核虚拟地址空间，使驱动可以通过指针访问硬件。其核心特性是禁止CPU缓存，确保对寄存器的读写直接作用于硬件。

#include <asm/io.h>

void __iomem *ioremap(phys_addr_t offset, unsigned long size);
void iounmap(void __iomem *addr);

// 变体：指定缓存属性
void __iomem *ioremap_cache(phys_addr_t offset, unsigned long size);
void __iomem *ioremap_wc(phys_addr_t offset, unsigned long size); // 写合并

4.3 alloc_pages 与 __get_free_pages：底层页分配器

这两个函数直接操作伙伴系统（Buddy System），以2的幂次个连续物理页为单位进行分配。它们是内核最底层的内存分配接口，也是 kmalloc 和 vmalloc 的基础。

#include <linux/gfp.h>

// 返回 struct page *，适用于需要操作页结构体的场景
struct page *alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order);
struct page *alloc_page(gfp_t gfp_mask); // order = 0

// 返回虚拟地址，适用于直接访问内存
unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order);
unsigned long __get_free_page(gfp_t gfp_mask); // order = 0

// 释放
void __free_pages(struct page *page, unsigned int order);
void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order);

order 参数： 分配 2^order 个连续物理页。order 最大值为 10（即 4MB，页面大小4KB时），但实际可用值受系统内存碎片程度限制。

4.4 slab分配器与kmem_cache：对象缓存

slab分配器是内核用于管理小对象（通常小于一页）的高效缓存机制。它避免了频繁的伙伴系统操作，通过对象复用和着色（coloring）提高缓存命中率。对于驱动中频繁分配/释放的固定大小结构体（如 struct urb、struct sk_buff），应使用 kmem_cache 创建专用缓存。

#include <linux/slab.h>

// 创建缓存
struct kmem_cache *kmem_cache_create(const char *name,
                                      unsigned int size,
                                      unsigned int align,
                                      slab_flags_t flags,
                                      void (*ctor)(void *));

// 分配/释放对象
void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags);
void kmem_cache_free(struct kmem_cache *cachep, void *objp);

// 销毁缓存
void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *cachep);

4.5 API选择决策指南

在设备驱动开发中，选择正确的内存分配API直接影响系统稳定性和性能。以下决策树总结了选择依据：

1. 是否需要物理连续？
   • 是 → 进入第2步
   • 否 → vmalloc（大块）或 kmalloc（小块，< 128KB）
2. 是否用于DMA？
   • 是 → dma_alloc_coherent 或 __get_free_pages + DMA API
   • 否 → 进入第3步
3. 对象大小是否固定且频繁分配？
   • 是 → kmem_cache_alloc（slab缓存）
   • 否 → kmalloc 或 alloc_pages
4. 是否需要映射外设寄存器？
   • 是 → ioremap