linux内核中内存相关的操作函数.doc

linux内核中内存相关的操作函数

作者：harvey wang
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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。有关buddy和slab，请参见《linux内核之内存管理.doc》
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，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()/freepages()
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ZONENORMAL（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）。

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)...
可参考下面的文章

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。