Linux 内存分配流程及 kmalloc 解析

上一次咱们分析了 Linux 的启动流程和初始化流程，今天主要分析一下内存方面的初始化和常见的内存分配方式。

在 start_kernel 内核初始化函数中，一共调用 86 个函数去初始化，其中有一个 mm_init 函数，用以初始化内存。

start_kernel
    |--->mm_init
        |--->mem_init


linux4.14/init/main.c

在 mem_init 函数中会初始化伙伴系统和 slab 分配器。

先说两个概念：

外部碎片：有一段小内存，夹在两个大内存中间，两个大内存已经被分配给进程，这一段小内存由于过小，不够申请者使用，就一直空闲。

内部碎片：一个进程申请了一段内存，可是这个进程从来没有全部使用，一直有最后的一段内存没有使用。

为了解决这两个问题，就出现了伙伴系统和 slab 分配器。伙伴系统解决外部碎片问题，slab 分配器解决内部碎片问题。

1、伙伴系统基于页分配，一次分配多页，这样就不会出现夹在中间的小内存。

2、slab 分配器基于字节来分配，特别适用于需要频繁分配几十个字节的结构体，我们经常使用的 kmalloc 就是基于 slab 分配器。

3、其实所有的分配方式最底层都是伙伴系统，它先分配好一段大的内存，然后 slab 再从其中分配小的内存。

具体分析请看链接：

https://www.cnblogs.com/arnoldlu/p/8251333.html

这里列出了常见的内存分配 API 接口。

其中最常用的就是 malloc 和 kmalloc，区别在于一个在用户空间，一个在内核空间，并且 kmalloc 的使用需要注意竞争，需要指明 flag 。

void *kmalloc(size_t size, int flags);

内核编程（驱动编程）一定要注意竞争问题，重要的数据或者内存使用前后一定要加锁。

在 kmalloc 的使用过程中，常用标志位：GFP_KERNEL、GFP_ATOMIC、GFP_USER、GFP_HIGHUSER、GFP_NOIO、GFP_NOFS。

前两个最常用，GFP_KERNEL 代表在使用 kmalloc 分配内存时，如果内存准备不足，会等待，也就是会睡眠。GFP_ATOMIC 代表使用 kmalloc 分配内存时，如果内存准备不足，会立刻返回，不会引起睡眠，适合在中断上下文或者进程上下文中使用。

补充：

1、基于 slab 分配器，出现了 slob 和 slub 分配器。在多核大系统大内存中，一般使用 slub 分配器，在极小的嵌入式系统中，一般使用 slob 分配器（只有600多行代码）。

2、有的人可能知道 Linux 有一个 bootmem 分配器，这个是在Linux初始化过程中的一个临时分配器，他会在 setup_arch 函数中初始化，然后在 mm_init 中关掉，只是在伙伴系统出现之前的临时使用。

bootmem 分配器按块进行分配，颗粒度很大，不够精细，比较浪费内存。bootmem 分配器只会在 start_kernel 函数和mm_init 函数之前存在，中间的函数会调用它进行内存分配。

start_kernel
    |--->setup_arch
        |--->paging_init
            |--->bootmem_init

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