Linux内核内存分配：get_free_pages、kmalloc/kfree与vmalloc/vfree解析

本文主要介绍了Linux内核中的三种内存分配接口——`__get_free_pages`、`kmalloc/kfree` 和 `vmalloc/vfree`，以及Linux内存管理的基础概念，包括i386保护模式下的分段与分页机制、线性地址空间分布和内核对物理内存的管理。 在Linux内核中，内存分配有多种方式： 1. **__get_free_pages**：这个函数主要用于申请较大块的连续物理内存，大小为2的k次幂个page。它从伙伴系统（buddy system）中获取内存，分配在内核空间的物理映射区域，确保分配的线性地址也是连续的。 2. **kmalloc/kfree**：这两个函数是针对小块内存的分配和释放。kmalloc从slab缓存中获取内存，通常用于存储特定类型的对象。slab缓存是一种优化内存分配的机制，可以有效减少内存碎片。 3. **vmalloc/vfree**：vmalloc用于分配较大的、线性地址连续的内存区域，但实际物理地址可以是不连续的。这种分配方式常用于内核动态内存分配，由于为了检测越界和保证效率，vmalloc的区域之间会有空洞，且这些内存通常不会被交换到磁盘。 Linux内存管理在i386平台上基于分段和分页技术。分段是通过段描述符来管理，每个段描述符包含段基地址、段界限和访问控制信息。分页则将线性地址转换为物理地址，通过页目录和页表实现，其中页目录索引和页表索引由线性地址计算得出。 线性地址空间在Linux中分为用户空间和内核空间，其中用户空间占用低3GB，内核空间占用高1GB。内核空间进一步划分为不同的区域，如物理内存区、虚拟内存分配区等。内核为了提高效率，只在处理页错误（page fault）时同步用户进程的页目录项，允许页目录项在某些情况下不一致。 此外，Linux支持内存映射，包括文件映射、共享库和内核代码/数据/堆栈等。这使得可以直接将磁盘上的文件映射到内存中，提高I/O效率。通过这种方式，多个进程可以共享同一段内存，例如动态链接库，从而节省内存资源。 总结来说，Linux内核提供灵活的内存分配策略，以适应不同场景的需求，同时通过分段和分页技术高效地管理和转换地址。内存分配接口结合线性地址空间布局，确保了系统的稳定性和性能。