Linux通過一系列高效的內存分配函數來滿足不同場景下的內存需求
無論是用戶空間還是內核空間，Linux都提供了多種內存分配函數，確保內存資源能夠得到合理的利用
本文將詳細介紹Linux中的內存分配函數，幫助讀者更好地理解Linux內存管理機制
用戶空間內存分配函數 在用戶空間中，內存分配主要通過標準C庫函數實現
這些函數包括`malloc`、`calloc`、`realloc`和`alloca`等
1.malloc函數 `malloc`函數用于在堆區分配一塊指定大小的內存空間
其原型為`- void malloc(size_t size)`
如果分配成功，`malloc`返回一個指向分配內存的指針；否則，返回`NULL`
`malloc`函數不會初始化分配的內存區域，因此分配的內存中可能包含垃圾數據
2.calloc函數 `calloc`函數分配并初始化一塊連續的內存空間
其原型為`- void calloc(size_t num, size_tsize)`
`calloc`會分配`num`個大小為`size`的對象，并將所有字節初始化為0
這使得`calloc`非常適合用于需要初始化為零的數據結構
3.realloc函數 `realloc`函數用于改變之前通過`malloc`或`calloc`等函數分配的內存塊的大小
其原型為`- void realloc(void ptr, size_t new_size)`
`realloc`可以擴大或縮小已分配的內存區域
如果內存無法重新分配，`realloc`返回`NULL`，原有的內存區域保持不變
4.alloca函數 `alloca`函數是一個非標準庫函數，某些編譯器支持
它在棧上動態分配內存，不需要手動釋放
然而，由于棧的大小有限，`alloca`可能導致棧溢出
此外，由于`alloca`分配的內存由編譯器自動管理，其生命周期從程序開始到結束，因此使用`alloca`時需要格外小心
在用戶空間中，使用這些內存分配函數后，必須確保在不再需要內存時調用相應的內存釋放函數來釋放它，以避免內存泄漏
對于`malloc`、`calloc`和`realloc`分配的內存，應使用`free`函數進行釋放
內核空間內存分配函數 在內核空間中，內存分配主要通過Linux內核提供的內存分配函數實現
這些函數包括`kmalloc`、`vmalloc`、`get_free_pages`、`alloc_pages`等
1.kmalloc函數 `kmalloc`函數用于分配指定大小的連續物理內存塊，并返回指向該內存塊的指針
其原型為`void kmalloc(size_t size, gfp_tflags)`
`flags`參數用于控制內存分配的行為和特性
`kmalloc`函數與`malloc`函數類似，但前者用于內核態的內存分配，后者用于用戶態
`kmalloc`函數在物理內存中分配內存，不會清除里面的原始數據
由于Linux內存管理機制的原因，內存只能按照頁面大小進行分配
因此，當需要分配的內存較小時，系統仍會返回一個頁面的內存，這可能導致內存浪費
為了優化這種情況，內核先為其分配一系列不同大小的內存池，當需要分配內存時，系統會分配大于等于所需內存的最小一個內存池給它
`kmalloc`分配的內存最小為32字節，最大為128KB
如果需要分配超過128KB的內存，應使用其他內存分配函數，如`vmalloc`
`kmalloc`函數的`flags`參數非常關鍵，它決定了內存分配的行為
最常用的標志是`GFP_KERNEL`，表示當當前沒有足夠內存分配時，進程進入睡眠狀態，待系統將緩沖區中的內容SWAP到硬盤中后，獲得足夠內存后再喚醒進程，為其分配內存
然而，`GFP_KERNEL`標志會引起阻塞，因此不能在中斷上下文或持有自旋鎖的時候使用
在中斷處理函數、tasklet和內核定時器等非進程上下文中，應使用`GFP_ATOMIC`標志來申請內存
`GFP_ATOMIC`標志表示若不存在空閑頁，則不等待，直接返回
2.vmalloc函數 `vmalloc`函數用于分配虛擬內存，而不是連續的物理內存
其原型為`void vmalloc(unsigned long size)`
分配的內存可能分布在多個物理頁面上，但對進程來說是連續的
由于需要建立新的頁表，`vmalloc`的開銷要遠遠大于`kmalloc`
`vmalloc`函數一般用在為只存在于軟件中（沒有對應的硬件意義）的較大的順序緩沖區分配內存
當內存沒有足夠大的連續物理空間可以分配時，可以使用`vmalloc`函數來分配虛擬地址連續但物理地址不連續的內存
3.頁分配函數 在Linux中，內存分配是以頁為單位的
32位系統中一頁為4KB，64位系統中一頁為8KB（具體根據平臺而定）
頁分配函數根據返回值類型的不同，分為返回物理頁地址和返回虛擬地址兩類
根據返回頁面數目分類，分為僅返回單頁面的函數和返回多頁面的函數
alloc_page和alloc_pages函數 `alloc_page`和`alloc_pages`函數用于分配一個或多個連續的物理頁
它們返回分配的第一個頁的描述符而非首地址
這些函數定義在頭文件`/include/linux/gfp.h`中
__get_free_pages系列函數 `__get_free_pages`系列函數是`kmalloc`函數實現的基礎，返回一個或多個頁面的虛擬地址
它們用于分配特定數量的連續物理頁（以2的冪為單位）和單個物理頁
其他內核空間內存分配函數 除了上述常見的內存分配函數外，Linux內核還提供了其他內存分配函數，以滿足特定場景下的需求
dma_alloc_coherent函數 `dma_alloc_coherent`函數在設備映射區域分配一塊連續的物理內存，以便于DMA傳輸
分配的內存對于處理器來說是可直接訪問的，并且確保不會被內核搶占或遷移
kzalloc函數 `kzalloc`函數類似于`kmalloc`函數，但在分配內存后將其所有字節初始化為0
這使得`kzalloc`非常適合用于需要初始化為零的數據結構
kfree函數 `kfree`函數用于釋放通過上述內核內存分配函數分配的內存
其用法與用戶空間的`free`函數類似
內存管理注意事項 在使用Linux內存分配函數時，需要注意以下幾點： 1.內存泄漏：確保在不再需要內存時正確釋放它，以避免內存泄漏
2.并發訪問：考慮到并發訪問和競態條件的問題，可能需要對內存訪問進行同步
3.性能優化：根據具體需求選擇適當的內存分配函數，以優化性能
例如，對于小塊內存的頻繁分配和釋放，可以使用slab分配器
結語 Linux內存分配函數是Linux操作系統中不可或缺的一部分
它們提供了高效、靈活的內存管理機制，滿足了不同場景下的內存需求
通過深入理解這些內存分
