Linux内核中内存相关的操作函数

川长思鸟来 2022-05-17 05:04 213阅读 0赞

**1、kmalloc()/kfree()**

static \_\_always\_inline void \*kmalloc(size\_t size, gfp\_t flags)

内核空间申请指定大小的内存区域，返回内核空间虚拟地址。在函数实现中，如果申请的内存空间较大的话，会从buddy系统申请若干内存页面，如果申请的内存空间大小较小的话，会从slab系统中申请内存空间。

gfp\_t flags 的选项较多。参考内核文件gfp.h.

在函数kmalloc()实现中，如果申请的空间较小，会根据申请空间的大小从slab中获取;如果申请的空间较大，如超过一个页面，会直接从buddy系统中获取。

**　　2、vmalloc()/vfree()**

void \*vmalloc(unsigned long size)

函数作用：从高端(如果存在，优先从高端)申请内存页面，并把申请的内存页面映射到内核的动态映射空间。vmalloc()函数的功能和alloc\_pages(\_GFP\_HIGHMEM)+kmap() 的功能相似，只所以说是相似而不是相同，原因在于用vmalloc()申请的物理内存页面映射到内核的动态映射区(见下图)，并且，用vmalloc()申请的页面的物理地址可能是不连续的。而alloc\_pages(\_GFP\_HIGHMEM)+kmap()申请的页面的物理地址是连续的，被映射到内核的KMAP区。

vmalloc分配的地址则限于vmalloc\_start与vmalloc\_end之间。每一块vmalloc分配的内核虚拟内存都对应一个vm\_struct结构体(可别和vm\_area\_struct搞混，那可是进程虚拟内存区域的结构)，不同的内核虚拟地址被4k大小的空闲区间隔，以防止越界--见下图)。与进程虚拟地址的特性一样，这些虚拟地址与物理内存没有简单的位移关系，必须通过内核页表才可转换为物理地址或物理页。它们有可能尚未被映射，在发生缺页时才真正分配物理页面。

如果内存紧张，连续区域无法满足，调用vmalloc分配是[必须的][Link 1]，因为它可以将物理不连续的空间组合后分配，所以更能满足分配要求。vmalloc可以映射高端页框，也可以映射底端页框。vmalloc的作用只是为了提供逻辑上连续的地址…

注意：在申请页面时，如果注明\_GFP\_HIGHMEM,即从高端申请。则实际是优先从高端内存申请，顺序为(分配顺序是HIGH, NORMAL, DMA )。

**3、alloc\_pages()/free\_pages()**

内核空间申请指定个数的内存页，内存页数必须是2^order个页。

alloc\_pages(gfp\_mask, order) 中，gfp\_mask 是flag标志，其中可以为\_ \_GFP\_DMA、\_GFP\_HIGHMEM 分别对应DMA和高端内存。

注：该函数基于buddy系统申请内存，申请的内存空间大小为2^order个内存页面。

参见《[linux][]内核之内存管理。doc》

通过函数alloc\_pages()申请的内存，需要使用kmap()函数分配内核的虚拟地址。

**4、\_\_get\_free\_pages()/\_\_free\_pages()**

unsigned long \_\_get\_free\_pages(gfp\_t gfp\_mask, unsigned int order)

作用相当于alloc\_pages(NORMAL)+kmap()，但不能申请高端内存页面。

\_\_get\_free\_page()只申请一个页面。

**5、kmap()/kunmap()**

返回指定页面对应内核空间的虚拟地址。

\#include

void \*kmap(struct page \*page);

void kunmap(struct page \*page);

kmap 为系统中的任何页返回一个内核虚拟地址。

对于低端内存页，它只返回页的逻辑地址;

对于高端内存页， kmap在"内核永久映射空间"中创建一个特殊的映射。 这样的映射数目是有限， 因此最好不要持有过长的时间。

使用 kmap 创建的映射应当使用 kunmap 来释放;

kmap 调用维护一个计数器， 因此若2个或多个函数都在同一个页上调用kmap也是允许的。

通常情况下，"内核永久映射空间"是 4M 大小，因此仅仅需要一个页表即可，内核通过来 pkmap\_page\_table 寻找这个页表。

注意：不用时及时释放。

kmalloc()和vmalloc()相比，kmalloc()总是从ZONE\_NORMAL(下图中的直接映射区)申请内存。kmalloc()分配的内存空间通常用于linux内核的系统数据结构和链表。因内核需要经常访问其数据结构和链表，使用固定映射的ZONE\_NORMAL空间的内存有利于提高效率。

使用vmalloc()可以申请非连续的物理内存页，并组成虚拟连续内存空间。vmalloc()优先从高端内存(下图中的动态映射区)申请。内核在分配那些不经常使用的内存时，都用高端内存空间(如果有)，所谓不经常使用是相对来说的，比如内核的一些数据结构就属于经常使用的，而用户的一些数据就属于不经常使用的。

alloc\_pages(\_GFP\_HIGHMEM)+kmap() 方式申请的内存使用内核永久映射空间(下图中的KMAP区)，空间较小(通常4M线性空间)，不用时需要及时释放。另外，可以指定alloc\_pages()从直接映射区申请内存，需要使用\_GFP\_NORMAL属性指定。

\_\_get\_free\_pages()/\_\_free\_pages() 不能申请高端内存页面，操作区域和kmalloc()相同(下图中的动态映射区)。

![2012070221003124.png][]

**　　6、virt\_to\_page()**

其作用是由内核空间的虚拟地址得到页结构。见下面的宏定义。

\#define virt\_to\_pfn(kaddr) (\_\_pa(kaddr) 》 PAGE\_SHIFT)

\#define pfn\_to\_virt(pfn) \_\_va((pfn) 《 PAGE\_SHIFT)

\#define virt\_to\_page(addr) pfn\_to\_page(virt\_to\_pfn(addr))

\#define page\_to\_virt(page) pfn\_to\_virt(page\_to\_pfn(page))

\#define \_\_pfn\_to\_page(pfn) (mem\_map + ((pfn) - ARCH\_PFN\_OFFSET))

\#define \_\_page\_to\_pfn(page) ((unsigned long)((page) - mem\_map) + \\

ARCH\_PFN\_OFFSET)

**7、物理地址和虚拟地址之间转换**

\#ifdef CONFIG\_BOOKE

\#define \_\_va(x) ((void \*)(unsigned long)((phys\_addr\_t)(x) + VIRT\_PHYS\_OFFSET))

\#define \_\_pa(x) ((unsigned long)(x) - VIRT\_PHYS\_OFFSET)

\#else

\#define \_\_va(x) ((void \*)(unsigned long)((phys\_addr\_t)(x) + PAGE\_OFFSET - MEMORY\_START))

\#define \_\_pa(x) ((unsigned long)(x) - PAGE\_OFFSET + MEMORY\_START)

\#endif

**8、ioremap()/iounmap()**

ioremap()的作用是把device寄存器和内存的物理地址区域映射到内核虚拟区域，返回值为内核的虚拟地址。

注明：在内核中操作内存空间时使用的都是内核虚拟地址，必须把device的空间映射到内核虚拟空间。

\#include

void \*ioremap(unsigned long phys\_addr, unsigned long size);

void \*ioremap\_nocache(unsigned long phys\_addr, unsigned long size); 映射非cache的io内存区域

void iounmap(void \* addr);

为了增加可移植性，最好使用下面的接口函数读写io内存区域，

unsigned int ioread8(void \*addr);

unsigned int ioread16(void \*addr);

unsigned int ioread32(void \*addr);

void iowrite8(u8 value, void \*addr);

void iowrite16(u16 value, void \*addr);

void iowrite32(u32 value, void \*addr);

如果你必须读和写一系列值到一个给定的 I/O 内存地址， 你可以使用这些函数的重复版本：

void ioread8\_rep(void \*addr, void \*buf, unsigned long count);

void ioread16\_rep(void \*addr, void \*buf, unsigned long count);

void ioread32\_rep(void \*addr, void \*buf, unsigned long count);

void iowrite8\_rep(void \*addr, const void \*buf, unsigned long count);

void iowrite16\_rep(void \*addr, const void \*buf, unsigned long count);

void iowrite32\_rep(void \*addr, const void \*buf, unsigned long count);

这些函数读或写 count 值从给定的 buf 到 给定的 addr. 注意 count 表达为在被写入的数据大小; ioread32\_rep 读取 count 32-位值从 buf 开始。

**9、request\_mem\_region()**

本函数的作用是：外设的io端口映射到io memory region中。在本函数实现中会检查输入到本函数的参数所描述的空间(下面成为本io空间)是否和io memory region中已存在的空间冲突等，并设置本io空间的parent字段等(把本io空间插入到io 空间树种)。

注明：io memory region 空间中是以树形结构组织的，默认的根为iomem\_resource描述的io空间，其name为"PCI mem".

request\_mem\_region(start,n,name) 输入的参数依次是设备的物理地址，字节长度，设备名字。函数返回类型如下

struct resource \{

resource\_size\_t start;

resource\_size\_t end;

const char \*name;

unsigned long flags;

struct resource \*parent, \*sibling, \*child;

\};

**10、SetPageReserved()**

随着linux的长时间运行，空闲页面会越来越少，为了防止linux内核进入请求页面的僵局中，Linux内核采用页面回收算法(PFRA)从用户进程和内核高速缓存中回收内存页框，并根据需要把要回收页框的内容交换到[磁盘][Link 2]上的交换区。调用该函数可以使页面不被交换。

\#define SetPageReserved(page) set\_bit(PG\_reserved, &(page)->flags)

PG\_reserved 的标志说明如下。

\* PG\_reserved is set for special pages, which can never be swapped out. Some

\* of them might not even exist (eg empty\_bad\_page)…

**11、do\_mmap()/do\_ummap()**

内核使用do\_mmap()函数为进程创建一个新的线性地址区间。但是说该函数创建了一个新VMA并不非常准确，因为如果创建的地址区间和一个已经存在的地址区间相邻，并且它们具有相同的访问权限的话，那么两个区间将合并为一个。如果不能合并，那么就确实需要创建一个新的VMA了。但无论哪种情况， do\_mmap()函数都会将一个地址区间加入到进程的地址空间中--无论是扩展已存在的内存区域还是创建一个新的区域。

同样，释放一个内存区域应使用函数do\_ummap()，它会销毁对应的内存区域。

**12、get\_user\_pages()**

作用是在内核空间获取用户空间内存的page 描述，之后可以通过函数kmap() 获取page 对应到内核的虚拟地址。

int get\_user\_pages(struct task\_struct \*tsk, struct mm\_struct \*mm,

unsigned long start, int len, int write, int force,

struct page \*\*pages, struct vm\_area\_struct \*\*vmas)

参数说明

参数tsk:指示用户空间对应进程的task\_struct数据结构。只是为了记录错误信息用，该参数可以为空。

参数mm:从该mm struct中获取start 指示的若干页面。

参数start:参数mm空间的起始地址，即用户空间的虚拟地址。

参数len:需要映射的页数。

参数write:可以写标志。

参数force:强制可以写标志。

参数pages:输出的页数据结构。

参数vmas:对应的需要[存储][Link 3]区，(没有看明白对应的代码)

返回值：数返回实际获取的页数，貌似对每个实际获取的页都是给页计数值增1,如果实际获取的页不等于请求的页，要放弃操作则必须对已获取的页计数值减1.

**13、copy\_from\_user()和copy\_to\_user()**

主要应用于设备驱动中读写函数中，通过系统调用触发，在当前进程上下文内核态运行(即当前进程通过系统调用触发)。

copy\_from\_user的目的是防止用户程序欺骗内核，将一个非法的地址传进去，如果没有它，这一非法地址就检测不到，内和就会访问这个地址指向的数据。因为在内核中访问任何地址都没有保护，如果不幸访问一个错误的内存地址会搞死内核或发生更严重的问题

copy\_from\_user调用了[access][]\_ok,所以才有"自己判断功能"

access\_ok()，可以检查访问的空间是否合法。

注意：中断代码时不能用copy\_from\_user,因为其调用了might\_sleep()函数，会导致睡眠。

unsigned long copy\_to\_user(void \_\_user \*to, const void \*from, unsigned long n)

通常用在设备读函数或ioctl 中获取参数的函数中：其中"to"是用户空间的buffer地址，在本函数中将内核buffer"from"除的n个字节拷贝到用户空间的"to"buffer.

unsigned long copy\_from\_user(void \*to, const void \_\_user \*from, unsigned long n)

通常用在设备写函数或ioctl中设置参数的函数中："to"是内核空间的buffer指针，要写入的buffer;"from"是用户空间的指针，数据源buffer.

**14、get\_user(x, ptr)**

本函数的作用是获取用户空间指定地址的数值并保存到内核变量x中，ptr为用户空间的地址。用法举例如下。

get\_user(val, (int \_\_user \*)arg)

注明：函数用户进程上下文内核态，即通常在系统调用函数中使用该函数。

**15、put\_user(x, ptr)**

本函数的作用是将内核空间的变量x的数值保存到用户空间指定地址处，prt为用户空间地址。用法举例如下。

put\_user(val, (int \_\_user \*)arg)

注明：函数用户进程上下文内核态，即通常在系统调用函数中使用该函数。

[Link 1]: http://www.chinabyte.com/keyword/%E5%BF%85%E9%A1%BB%E7%9A%84/
[linux]: http://www.chinabyte.com/keyword/Linux/
[2012070221003124.png]: http://linux.chinaitlab.com/UploadFiles_7565/201207/2012070221003124.png
[Link 2]: http://www.chinabyte.com/keyword/%E7%A3%81%E7%9B%98/
[Link 3]: http://storage.chinabyte.com/
[access]: http://www.chinabyte.com/keyword/access/