📚 课程目录第2章内存分配器基础

2. 内存分配器基础：页分配器(alloc_pages)、slab分配器、kmalloc与kzalloc

Linux 内核的内存分配体系呈分层结构，从最底层的物理页管理到上层面向对象的缓存分配，每一层都服务于特定的场景。理解 页分配器、slab 分配器 以及 kmalloc / kzalloc 的层级关系与适用边界，是驱动开发者正确管理内存的前提。

2.1 内核内存分配器层级总览

下图展示了从物理页到驱动常用 API 的完整调用链路：

核心原则：驱动开发者应优先使用 kmalloc / kzalloc，仅在需要分配整页或大量连续物理内存时，才直接调用 alloc_pages 系列接口。

2.2 页分配器：alloc_pages 与 __get_free_pages

页分配器是内核最底层的内存分配接口，直接操作物理页帧。它基于伙伴系统算法，分配粒度固定为 2^order 个连续物理页（order 从 0 到 MAX_ORDER-1，通常 MAX_ORDER=11，即最大 2MB 连续物理内存）。

2.2.1 核心 API

函数	返回值类型	说明
`struct page *alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)`	`struct page *`	分配 2^order 个连续物理页，返回首页的 `page` 结构体指针
`unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)`	虚拟地址（内核逻辑地址）	分配连续物理页并返回线性映射的虚拟地址（直接映射区）
`void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order)`	—	释放由 `__get_free_pages` 分配的页
`void __free_pages(struct page *page, unsigned int order)`	—	释放由 `alloc_pages` 分配的页

2.2.2 典型用法

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

/* 分配 4 个连续物理页 (order=2) */
struct page *pages = alloc_pages(GFP_KERNEL, 2);
if (!pages) {
    pr_err("alloc_pages failed\n");
    return -ENOMEM;
}

/* 获取虚拟地址（仅适用于直接映射区） */
void *virt = page_address(pages);

/* 使用完毕后释放 */
__free_pages(pages, 2);

注意：在 ARM64 等非直接映射架构上，page_address() 可能返回 NULL。对于 DMA 或需要虚拟地址的场景，应使用 dma_alloc_coherent 或 vmalloc 替代裸页分配。

2.3 slab 分配器：面向对象的缓存管理

slab 分配器专为内核中频繁创建/销毁的 小对象 设计（如 task_struct、inode、sk_buff）。它维护了每个对象类型的缓存池，避免反复调用页分配器导致的碎片和性能开销。

2.3.1 核心概念

cache（缓存）：每个对象类型对应一个 kmem_cache，内部包含多个 slab。
slab：由一个或多个连续物理页组成，被划分为等大小的对象槽位。
着色（coloring）：通过偏移调整使不同 slab 的对象对齐到不同 cache line，减少伪共享。

2.3.2 自定义 slab 缓存 API

函数	作用
`kmem_cache_create(name, size, align, flags, ctor)`	创建一个新的 slab 缓存，指定对象大小、对齐方式和构造函数
`kmem_cache_alloc(cache, gfp_flags)`	从缓存中分配一个对象
`kmem_cache_free(cache, obj)`	将对象归还给缓存
`kmem_cache_destroy(cache)`	销毁缓存（必须确保所有对象已释放）

2.3.3 驱动中的使用示例

#include <linux/slab.h>

/* 定义驱动私有结构体 */
struct my_dev_priv {
    int id;
    char name[32];
    /* ... */
};

static struct kmem_cache *my_cache;

/* 模块初始化时创建缓存 */
static int __init my_init(void)
{
    my_cache = kmem_cache_create("my_priv_cache",
                                 sizeof(struct my_dev_priv),
                                 0,        /* 默认对齐 */
                                 SLAB_HWCACHE_ALIGN, /* 硬件缓存行对齐 */
                                 NULL);    /* 无构造函数 */
    if (!my_cache)
        return -ENOMEM;
    return 0;
}

/* 分配对象 */
struct my_dev_priv *priv = kmem_cache_alloc(my_cache, GFP_KERNEL);
if (!priv)
    return -ENOMEM;

/* 释放对象 */
kmem_cache_free(my_cache, priv);

/* 模块退出时销毁缓存 */
static void __exit my_exit(void)
{
    kmem_cache_destroy(my_cache);
}

  性能优势：slab 分配器在分配/释放相同大小的对象时，时间复杂度为 O(1)，且能显著减少内存碎片。对于驱动中频繁创建的小结构体（如网络 skb、USB URB），强烈建议使用自定义 slab 缓存。

2.4 kmalloc 与 kzalloc：驱动最常用的分配接口

kmalloc 是 slab 分配器的最上层封装，驱动开发者最常接触。它返回内核虚拟地址，分配的内存物理连续（在直接映射区）。kzalloc 是 kmalloc 的零初始化版本，等价于 kmalloc(..., GFP_ZERO)。

2.4.1 函数原型与行为

#include <linux/slab.h>

void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);
void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags);
void kfree(const void *objp);

size：请求分配的字节数。最大限制通常为 4MB（取决于架构和 slab 配置），超过此限制应使用 vmalloc 或页分配器。
flags：GFP 标志，控制分配行为（见下表）。
返回值：成功返回虚拟地址，失败返回 NULL。

2.4.2 常用 GFP 标志

标志	含义	使用场景
`GFP_KERNEL`	普通内核分配，可能睡眠	进程上下文（系统调用、ioctl）
`GFP_ATOMIC`	原子分配，不会睡眠	中断上下文、软中断、自旋锁内
`GFP_DMA`	分配 DMA 可访问的内存（低端内存）	传统 ISA DMA 设备
`GFP_DMA32`	分配 32 位地址空间可访问的内存	32 位 DMA 设备
`GFP_HIGHUSER`	分配高端内存（用户空间可映射）	用户态缓冲区分配

2.4.3 典型驱动用法

/* 分配 256 字节缓冲区，零初始化 */
char *buf = kzalloc(256, GFP_KERNEL);
if (!buf) {
    pr_err("kzalloc failed\n");
    return -ENOMEM;
}

/* 使用缓冲区... */

/* 释放 */
kfree(buf);

最佳实践：在驱动中，除非明确需要未初始化的内存（如即将被硬件填充的 DMA 缓冲区），否则始终使用 kzalloc 代替 kmalloc，避免因未初始化数据导致的安全漏洞或难以调试的 bug。

2.5 分配器选择决策树

下面的 SVG 图帮助你在驱动开发中快速选择正确的分配接口：

2.6 关键对比总结

特性	alloc_pages	slab 分配器	kmalloc / kzalloc
分配粒度	2^order 个物理页（最小 4KB）	任意大小（由 cache 创建时指定）	任意大小（最大约 4MB）
物理连续性	保证连续	保证连续（基于页分配器）	保证连续（直接映射区）
分配速度	较慢（伙伴系统合并/分裂）	O(1)，极快	O(1)，极快（基于 slab）
内存碎片	容易产生外部碎片	无外部碎片，内部碎片可控	同 slab 分配器
适用场景	大块连续物理内存、DMA 缓冲区	频繁分配/释放的相同大小对象	通用小到中等大小内存分配
释放接口	`__free_pages` / `free_pages`	`kmem_cache_free`	`kfree`

常见错误：

在中断上下文使用 GFP_KERNEL（会导致睡眠，引发内核 panic）。
对 kmalloc 返回的地址调用 __free_pages（类型不匹配，破坏 slab 元数据）。
分配超过 4MB 的内存使用 kmalloc（返回 NULL 或触发警告）。
忘记调用 kfree 导致内存泄漏（使用 kmemleak 工具检测）。

2.7 本章小结

页分配器 是基石，提供连续物理页，适合大块分配和 DMA 场景。
slab 分配器 通过对象缓存大幅提升小对象分配效率，驱动中应善用 kmem_cache_create。
kmalloc / kzalloc 是驱动开发的首选通用接口，简单安全，默认使用 kzalloc 避免未初始化数据。
选择分配器时遵循 大小 → 频率 → 上下文 的决策路径，确保正确性与性能。