先上基礎，下圖是Linux的內存映射模型

• 每一個進程都有自己的進程空間，進程空間的0-3G是用戶空間，3G-4G是內核空間
• 每個進程的用戶空間不在同一個物理內存頁，但是所有的進程的內核空間對應同樣的物理地址
• vmalloc分配的地址可以高端內存，也可以是低端內存
• 0-896MB的物理地址是線性映射到物理映射區的。  

內存動態申請

和應用層一樣，內核程序也需要動態的分配內存，不同的是，內核進程可以控制分配的內存是在用戶空間還是內核空間，前者可以用于給用戶空間的堆區分配內存，eg，用戶進程的用戶空間的malloc最終就會通過系統調用回調內核空間的內存分配函數，此時該內存分配函數就屬于該用戶進程，可以給在該用戶進程的堆區分配空間并返回，最終使得一個用會進程在自己的用戶空間獲得內存分配;后者只在內核空間分配，所以用戶進程不能直接訪問該空間，所以多用在滿足內核程序自身的內存需求，下面是Linux內核空間申請內存常用API：

kmalloc - kfree

kmalloc申請的內存在物理內存上是連續的，他們與真實的物理地址只有一個固定的偏移，因此存在簡單的轉換關系。這個API 多用來申請不到一個page大小的內存。kmalloc的底層需要調用__get_free_pages，參數中表示內存類型的gtp_t flags正是這個函數的縮寫，常用的內存類型有GFP_USER,GFP_KERNEL,GFP_ATOMIC幾種。

• GFP_USER表示為用戶空間頁分配內存，可以阻塞;
• GFP_KERNEL是最常用的flag，注意，使用這個flag來申請內存時，如果暫時不能滿足，會引起進程阻塞，So，一定不要在中斷處理函數，tasklet和內核定時器等非進程上下文中使用GFP_KERNEL!!!
• GFP_ATOMIC就可以用于上述三種情境,這個flag表示如果申請的內存不能用，則立即返回。

/** 
 * kmalloc - allocate memory 
 * @size: how many bytes of memory are required. 
 * @flags: the type of memory to allocate. 
 * The @flags argument may be one of: 
 * %GFP_USER - Allocate memory on behalf of user.  May sleep. 
 * %GFP_KERNEL - Allocate normal kernel ram.  May sleep. 
 * %GFP_ATOMIC - Allocation will not sleep.  May use emergency pools. 
 *  
 * For example, use this inside interrupt handlers. 
 */ 
void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags); 
/** 
 * kfree - free previously allocated memory 
 * @objp: pointer returned by kmalloc. 
 * If @objp is NULL, no operation is performed. 
 */ 
void kfree(const void *objp);  

同系列API還有

void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags)     

__get_free_pages - free_pages

__get_free_pages()與kmalloc()一樣是物理連續的內存，這一系列函數是Linux內核中***層的用于獲取空閑內存的方法，因為底層的buddy算法都是以(2^n)×PAGE_SIZE來管理內存的，所以他們總是以頁為單位分配內存的

unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)  void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order)  

同系列API還有

unsigned long __get_free_page(gfp_t gfp)        unsigned long get_zeroed_page(gfp_t gfp_mask)    struct page *alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order) 

void free_page(unsigned long addr) 

vmalloc - vfree

vmalloc在虛擬內存空間給出一塊連續的內存區，實質上，這片連續的虛擬內存在物理內存中并不一定連續，所以vmalloc申請的虛擬內存和物理內存之間也就沒有簡單的換算關系，正因如此，vmalloc()通常用于分配遠大于__get_free_pages()的內存空間，它的實現需要建立新的頁表，此外還會調用使用GFP_KERN的kmalloc，so，一定不要在中斷處理函數，tasklet和內核定時器等非進程上下文中使用vmalloc!

/**      
 * vmalloc  -  allocate virtually contiguous memory 
 * @size:          allocation size 
 * Allocate enough pages to cover @size from the page level allocator and map them into contiguous kernel virtual space. 
 */void *vmalloc(unsigned long size)   /** 
 *      vfree  -  release memory allocated by vmalloc() 
 *      @addr:          memory base address 
 */void vfree(const void *addr)   

同系列的API還有

/** 
 * vmalloc_32  -  allocate virtually contiguous memory (32bit addressable) 
 * @size:          allocation size 
 * Allocate enough 32bit PA addressable pages to cover @size from the page level allocator and map them into contiguous kernel virtual space. 
 */void *vmalloc_32(unsigned long size)   

slab緩存

我們知道，頁是內存映射的基本單位，但內核中很多頻繁創建的對象所需內存都不到一頁，此時如果仍然按照頁映射的方式，頻繁的進行分配和釋放就會造成資源的浪費，同時也會降低系統性能。為了解決的這樣的問題，內核引入了slab機制，使對象在前后兩次被使用時被分配在同一塊內存或同一類內存空間，且保留了基本的數據結構，就可以大大提高效率。kmalloc的底層即是使用slab算法管理分配的內存的。注意，slab依然是以頁為單位進行映射，只是映射之后分割這些頁為相同的更小的單元，從而節省了內存。slab分配的單元不能小于32B或大于128K。

/** 
 * kmem_cache_create - 創建slab緩存對象 
 * @name:slab緩存區名字， 
 * @size:slab分配的緩存區的每一個單元的大小 
 * @align:緩存區內存的對齊方式，一般給0 
 * @flags:控制分配的位掩碼， 
 * %SLAB_POISON - Poison the slab with a known test pattern (a5a5a5a5) to catch references to uninitialised memory. 
 * %SLAB_RED_ZONE - Insert `Red' zones around the allocated memory to check for buffer overruns. 
 * %SLAB_HWCACHE_ALIGN - Align the objects in this cache to a hardware cacheline.  This can be beneficial if you're counting cycles as closely as davem. 
 * %SLAB_CACHE_DMA - Use GFP_DMA memory 
 * %SLAB_STORE_USER - Store the last owner for bug hunting 
 *define SLAB_PANIC - Panic if kmem_cache_create() fails  
 */struct kmem_cache *kmem_cache_create(const char *name, size_t size, size_t align,unsigned long flags, void (*ctor)(void *))/** 
 * kmem_cache_alloc - Allocate an object from this cache.  
 * @cachep: The cache to allocate from. 
 * @flags: See kmalloc(). 
 * The flags are only relevant if the cache has no available objects. 
 */void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags)  /** 
 * kmem_cache_free - Deallocate an object 
 * @cachep: The cache the allocation was from. 
 * @objp: The previously allocated object. 
 * Free an object which was previously allocated from this cache. 
 */void kmem_cache_free(struct kmem_cache *cachep, void *objp)  void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *s)   

范例

//創建slab對象 
 
struct kmem_cache_t *xj_sbcache; 
xj_sbcache = kmem_cache_create("xjslab",sizeof(struct xj_unit_t),0,SLAB_CACHE_DMA|SLAB_PANIC，NULL,NULL);//分配slab緩存 
 
struct xj_unit_t *xj_unit; 
xj_unit = kmem_cache_alloc(xj_sbcache,GFP_KERNEL); 
/* 使用slab緩存 */ 
/* 釋放slab緩存 */ 
 
kmem_cache_free(xj_sbcache, xj_unit); 
/* 銷毀slab緩存 */ 
 
kmem_cache_destroy(xj_sbcache);  

內存池

除了slab機制，內核還提供了傳統的內存池機制來管理小塊內存的分配。內存池主要是用來解決可能出現的內存不足的情況，因為一個內存池在創建的時候就已經分配好了一內存，當我們用mempool_alloc向一個已經創建好的內存池申請申請內存時，該函數首先會嘗試回調內存池創建時的分配內存函數，如果已經沒有內存可以分配，他就會使用內存池創建時預先分配的內存，這樣就可以避免因為無內存分配而陷入休眠，當然，如果預分配的內存也已經使用完畢，還是會陷入休眠。slab機制的目的是提高內存使用率以及內存管理效率，內存池的目的是避免內存的分配失敗。下面是內核中提供的關于內存池的API 

/**      
 * mempool_create - create a memory pool 
 * @min_nr:    the minimum number of elements guaranteed to be  allocated for this pool. 
 * @alloc_fn:  user-defined element-allocation function. 
 * @free_fn:   user-defined element-freeing function. 
 * @pool_data: optional private data available to the user-defined functions. 
 *               
 * this function creates and allocates a guaranteed size, preallocated memory pool. The pool can be used from the mempool_alloc() and mempool_free() functions.  
 * This function might sleep. Both the alloc_fn() and the free_fn() functions might sleep - as long as the mempool_alloc() function is not called from IRQ contexts. 
 */ 
mempool_t *mempool_create(int min_nr, mempool_alloc_t *alloc_fn, mempool_free_t *free_fn, void *pool_data) 
 
/**      
 * mempool_alloc - allocate an element from a specific memory pool 
 * @pool:pointer to the memory pool which was allocated via mempool_create(). 
 * @gfp_mask:  the usual allocation bitmask. 
 * this function only sleeps if the alloc_fn() function sleeps or returns NULL. Note that due to preallocation, this function never* fails when called from process contexts. (it might fail if called from an IRQ context.) 
 */      
void * mempool_alloc(mempool_t *pool, gfp_t gfp_mask)     
 
/** 
 * mempool_free - return an element to the pool. 
 * @element:   pool element pointer. 
 * @pool:pointer to the memory pool which was allocated via mempool_create(). 
 * 
 * this function only sleeps if the free_fn() function sleeps. 
 */      
void mempool_free(void *element, mempool_t *pool)     
 
/** 
 * mempool_destroy - deallocate a memory pool 
 * @pool:pointer to the memory pool which was allocated via mempool_create(). 
 * 
 * Free all reserved elements in @pool and @pool itself.  This function only sleeps if the free_fn() function sleeps. 
 */      
void mempool_destroy(mempool_t *pool)