内存管理篇-14kmalloc机制实现分析

引入这个kmalloc的目的，是因为前面的slab接口太过于复杂，因此需要一个全新的封装kmalloc接口，内存申请编程接口实现。kmalloc底层起始也是基于slab缓存实现的。

1.kmalloc 调用流程

参数解析: 解析 gfp_mask 参数，确定分配时是否可以睡眠、是否需要零初始化等。解析 size 参数，确定要分配的内存大小。
查找缓存：（1）根据请求的大小 size 查找合适的缓存。（2）如果找不到合适的缓存，则可能需要创建一个新的缓存。
分配对象：（1）从找到的缓存中分配一个对象（2）如果缓存中的对象不足，则可能需要创建一个新的 slab。（3）如果需要，初始化分配的内存为零。
返回结果: 返回指向分配的内存块的指针。

大概实现方式示例

#include <linux/slab.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/kmalloc.h>
void *kmalloc(size_t size, gfp_t gfp_mask)
{struct kmem_cache *cache;void *ptr;// Find the appropriate cachecache = find_kmem_cache(size);// Allocate from the cacheptr = kmem_cache_alloc(cache, gfp_mask);// Initialize memory if requiredif (gfp_mask & __GFP_ZERO)memset(ptr, 0, size);return ptr;
}static struct kmem_cache *find_kmem_cache(size_t size)
{return kmem_cache_find(size);
}

2.函数的实践

3.实现源码解析

总结下来就是说，kmalloc函数最终调用的是kmem_cache和伙伴系统来实现的，它比kmem_cache那套函数接口实现要简单很多。

当申请的内存大于8KB的时候：

如果不是slob，并且大小于8KB，然后去获取索引：index = kmalloc_index(size)。接下来就通过kmem_alloc_trace申请内存。上节说到slab通过一些列的kmem_cache链表连接组成，获取索引(实际上就是order)之后需要找到对应的kmem_cache，kmem_cache_alloc_trace函数根据前面的索引，再到对应的slab上获取对应的内存。

kmem_cache_alloc_trace函数需要的参数就比较明显了：（1）需要知道是哪个kmem_cache，大小，和flags。然后内部又有slab_alloc进行封装。

slab_alloc最终的申请过程包括：（1）this_cpu_read函数到对应的CPU缓存区申请。这里其实也挺复杂的，没有想象中那么简单。

遗留问题：

kmalloc能申请的最大块的连续内存是多少？

由于kmalloc最终是通过slab或者伙伴系统中获取的内存，所以最大的内存就是pageblock的大小（4MB和max_order的配置有关）。

kmalloc返回的地址已对齐方式？

slab的接口支持配置对齐方式，前面的kmem_cache_create函数有这个参数

kmalloc返回的是虚拟地址还是物理地址？

不管是slab或者伙伴系统内存申请，最终都会通过page_to_virt进行转换虚拟地址。在 Linux 内核中，kmalloc 是用于分配内核空间中的小块内存的函数。它返回的指针是指向内核虚拟地址空间中的内存区域。这是因为现代计算机系统普遍使用虚拟内存机制，内核和用户空间的内存访问都是通过虚拟地址进行的。当你调用 kmalloc 时，它会根据你请求的大小查找或创建一个合适的缓存，并从这个缓存中分配一个对象。这个对象的地址是内核虚拟地址空间中的地址。因此，当你使用 kmalloc 分配的内存时，你是在操作虚拟地址。
kmem_cache_alloc 函数返回的是虚拟地址。
在 Linux 内核中，struct page 结构体代表一个物理页帧，并包含了关于该页帧的一些元数据。alloc_pages 函数用于分配物理页帧，并返回一个指向这些页帧的 struct page 结构体数组的指针。但是所有的内存申请，最终会在某个阶段通过page_to_virt转换成虚拟地址