Linux内核模块vmalloc和kmalloc系统调用的代码实战
一、前言
当设备长时间运行后,内存碎片化,很难找到连续的物理页。在这种情况下,如果需要分配长度超过一页的内存块,可以使用不连续页分配器,分配虚拟地址连续但是物理地址不连续的内存块。在 32 位系统中不连分配器还有一个好处:优先从高端内存区域分配页,保留稀缺的低端内存区域。
二、编程接口
2.1、内核提供的vmalloc函数接口
- vmalloc:分配不连续的物理地址空间,但虚拟内存地址是连续的。
- vfree:配套,释放 vmalloc 分配的内存地址。
2.2、内核提供的kmalloc函数接口
- kmalloc:分配物理连续的内存地址(则虚拟地址自然连续,基于 slab)。
- kfree:配套,释放 kmalloc 分配的内存地址。
2.3、数据结构
structvm_struct{structvm_struct*next;void*addr;unsignedlong size;unsignedlong flags;structpage**pages;unsignedint nr_pages;phys_addr_t phys_addr;constvoid*caller;};structvmap_area{unsignedlong va_start;unsignedlong va_end;structrb_node rb_node;/* address sorted rbtree */structlist_head list;/* address sorted list *//*
* The following three variables can be packed, because
* a vmap_area object is always one of the three states:
* 1) in "free" tree (root is vmap_area_root)
* 2) in "busy" tree (root is free_vmap_area_root)
* 3) in purge list (head is vmap_purge_list)
*/union{unsignedlong subtree_max_size;/* in "free" tree */structvm_struct*vm;/* in "busy" tree */structllist_node purge_list;/* in purge list */};};
- 每个虚拟内存区域对应一个 vmap_area 实例;
- 每个 vmap_area 实例关联一个 vm_struct 实例;
三、vmalloc的使用示例
分配不连续的物理地址空间,但虚拟内存地址是连续的。
- 定义初始化模块和退出模块函数。
- 定义一个全局变量。
- 在初始化模块函数调用vmalloc函数,申请内存。
- 退出模块调用vfree释放内存。
- 模块初始化操作和退出函数调用module_init()和module_exit()。
- 其他的声明信息,比如许可协议、作者、模块功能描述等等。
vmtest.c
/* 头文件和全局变量地声明*/#include<linux/vmalloc.h>#include<linux/init.h>#include<linux/module.h>staticint __init vmalloc_InitFunc(void);staticvoid __exit vmalloc_ExitFunc(void);#defineMEMORY_SIZE4096char* pmymemory;// 模块初始化函数int __init vmalloc_InitFunc(void){
pmymemory =(char*)vmalloc(MEMORY_SIZE);if(pmymemory ==NULL)printk("执行:vmalloc(...)函数分配内存失败! \n");elseprintk("执行:vmalloc(...)函数成功,地址 = 0x%lx\n",(unsignedlong)pmymemory);return0;}// 模块退出函数void __exit vmalloc_ExitFunc(void){if(NULL!= pmymemory){vfree(pmymemory);printk("调用:vfree(...)释放内存成功!\n");}printk("正常:内核模块退出成功!\n");}/* 模块初始化操作和退出函数调用 */module_init(vmalloc_InitFunc);module_exit(vmalloc_ExitFunc);MODULE_LICENSE("GPL");/* 描述模块代码接受的软件许可协议 */MODULE_AUTHOR("Lion Long");/* 描述模块的作者信息:包括作者姓名及邮箱等等 */MODULE_DESCRIPTION(" kernel module : vmalloc/vfree");/* 简要描述此模块用途及功能介绍*/
Makefile
obj-m:=vmtest.o
CURRENT_PAHT:=$(shell pwd)
LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r)
LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/linux-headers-$(LINUX_KERNEL)
all:
make -C $(LINUX_KERNEL_PATH)M=$(CURRENT_PAHT) modules
clean:
make -C $(LINUX_KERNEL_PATH)M=$(CURRENT_PAHT) cleals
(1)make。
$ makemake -C /usr/src/linux-headers-4.15.0-142-generic M=/home/fly/workspace/vmalloctest modules
make[1]: Entering directory '/usr/src/linux-headers-4.15.0-142-generic'
CC [M] /home/fly/workspace/vmalloctest/vmtest.o
Building modules, stage 2.
MODPOST 1 modules
CC /home/fly/workspace/vmalloctest/vmtest.mod.o
LD [M] /home/fly/workspace/vmalloctest/vmtest.ko
make[1]: Leaving directory '/usr/src/linux-headers-4.15.0-142-generic'
$ ls
Makefile modules.order Module.symvers vmtest.c vmtest.ko vmtest.mod.c vmtest.mod.o vmtest.o
(2)插入模块。
# insmod vmtest.ko # dmesg -c[159699.561428] 执行:vmalloc(...)函数成功,地址 = 0xffffa6aec0668000
四、kmalloc的使用示例
分配物理连续的内存地址(则虚拟地址自然连续,基于 slab)。
- 定义初始化模块和退出模块函数。
- 定义一个全局变量。
- 在初始化模块函数调用kmalloc函数,申请内存。
- 退出模块调用kfree释放内存。
- 模块初始化操作和退出函数调用module_init()和module_exit()。
- 其他的声明信息,比如许可协议、作者、模块功能描述等等。
kmtest.c
/* 头文件和全局变量地声明*/
#include <linux/vmalloc.h>#include <linux/init.h>#include <linux/module.h>#include <linux/slab.h>
static int __init kmalloc_InitFunc(void);
static void __exit kmalloc_ExitFunc(void);#define MEMORY_SIZE 4096
char * pmymemory;
// 模块初始化函数
int __init kmalloc_InitFunc(void){
pmymemory =(char *)kmalloc(MEMORY_SIZE,GFP_KERNEL);
if(pmymemory == NULL )
printk("执行:kmalloc(...)函数分配内存失败! \n");else{
// /*输出分配的内存空间的起始地址*/
printk("执行:kmalloc(...)函数成功,地址 = 0x%lx\n", (unsigned long)pmymemory);}return0;}
// 模块退出函数
void __exit kmalloc_ExitFunc(void){
if(NULL != pmymemory){
kfree(pmymemory);
printk("调用:kfree(...)释放内存成功!\n");}
printk("正常:内核模块退出成功!\n");}
/* 模块初始化操作和退出函数调用 */
module_init(kmalloc_InitFunc);
module_exit(kmalloc_ExitFunc);
MODULE_LICENSE("GPL"); /* 描述模块代码接受的软件许可协议 */
MODULE_AUTHOR("Lingshengedu"); /* 描述模块的作者信息:包括作者姓名及邮箱等等 */
MODULE_DESCRIPTION(" kernel module : kmalloc/kfree"); /* 简要描述此模块用途及功能介绍*/
Makefile
obj-m:=kmkf.o
CURRENT_PAHT:=$(shell pwd)
LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r)
LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/linux-headers-$(LINUX_KERNEL)
all:
make -C $(LINUX_KERNEL_PATH)M=$(CURRENT_PAHT) modules
clean:
make -C $(LINUX_KERNEL_PATH)M=$(CURRENT_PAHT) cleals
(1)make。
# makemake -C /usr/src/linux-headers-4.15.0-142-generic M=/home/fly/workspace/kmalloctest modules
make[1]: Entering directory '/usr/src/linux-headers-4.15.0-142-generic'
CC [M] /home/fly/workspace/kmalloctest/kmtest.o
Building modules, stage 2.
MODPOST 1 modules
CC /home/fly/workspace/kmalloctest/kmtest.mod.o
LD [M] /home/fly/workspace/kmalloctest/kmtest.ko
make[1]: Leaving directory '/usr/src/linux-headers-4.15.0-142-generic'# ls
kmtest.c kmtest.ko kmtest.mod.c kmtest.mod.o kmtest.o Makefile modules.order Module.symvers
(2)insmod。
# insmod kmtest.ko # dmesg -c[160514.302923] 执行:kmalloc(...)函数成功,地址 = 0xffff8f54b28ac000
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