Linux驱动内存管理详解

Linux驱动中的内存管理是一个关键且复杂的主题，涉及多种机制和技术。以下是Linux驱动内存管理的核心内容：

1. 基本内存分配机制

kmalloc/kfree

• 用于分配连续的物理内存
• 分配大小有限制(通常最大128KB)
• 适用于小内存分配

void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);
void kfree(const void *objp);

vmalloc/vfree

• 分配虚拟地址连续但物理地址不一定连续的内存
• 适用于大内存分配

void *vmalloc(unsigned long size);
void vfree(const void *addr);

2. 内存分配标志(GFP flags)

常用标志： - GFP_KERNEL - 标准内核分配，可能睡眠 - GFP_ATOMIC - 原子分配，不会睡眠 - GFP_DMA - 分配DMA可用内存

3. 页分配器接口

struct page *alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order);
void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order);

4. DMA内存管理

一致性DMA映射

void *dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_t size,
                        dma_addr_t *dma_handle, gfp_t flag);
void dma_free_coherent(struct device *dev, size_t size,
                      void *cpu_addr, dma_addr_t dma_handle);

流式DMA映射

dma_addr_t dma_map_single(struct device *dev, void *ptr,
                         size_t size, enum dma_data_direction dir);
void dma_unmap_single(struct device *dev, dma_addr_t addr,
                     size_t size, enum dma_data_direction dir);

5. 内存池技术

mempool_t *mempool_create(int min_nr,
                         mempool_alloc_t *alloc_fn,
                         mempool_free_t *free_fn,
                         void *pool_data);
void *mempool_alloc(mempool_t *pool, gfp_t gfp_mask);
void mempool_free(void *element, mempool_t *pool);

6. 内存管理最佳实践

1. 避免内存泄漏：确保每次分配都有对应的释放
2. 合理使用分配标志：根据上下文选择正确的GFP标志
3. 考虑缓存效应：使用kmem_cache管理频繁分配释放的对象
4. 处理分配失败：内核分配可能失败，必须处理这种情况
5. DMA内存对齐：确保DMA缓冲区满足设备对齐要求

7. 调试工具

• slabtop：查看内核slab分配情况
• /proc/meminfo：系统内存信息
• vmstat：虚拟内存统计
• kmemleak：内核内存泄漏检测器

8. 高级主题

• CMA (Contiguous Memory Allocator)
• IOMMU和SMMU管理
• 大页内存(HugeTLB)
• 内存压缩和交换机制

理解这些内存管理机制对于编写高效、稳定的Linux驱动程序至关重要。不同类型的驱动(如字符设备、块设备、网络设备)可能需要不同的内存管理策略。