Разработка ядра Linux

Низкоуровневые функции выделения памяти полезны, когда необходимы участки памяти, которые находятся в смежных физических страницах, особенно если необходима одна страница или очень большое количество страниц. Для более общего случая, когда необходимо выделить заданное количество байтов памяти, ядро предоставляет функцию kmalloc.

Функция kmalloc

Функция kmalloc работает аналогично функции malloc пространства пользователя, за исключением того, что добавляется еще один параметр flags. Функция kmalloc — это простой интерфейс для выделения в ядре участков памяти размером в заданное количество байтов. Если необходимы смежные страницы физической памяти, особенно когда их количество близко целой степени двойки, то ранее рассмотренные интерфейсы могут оказаться лучшим выбором. Однако для большинства операций выделения памяти в ядре функция kmalloc — наиболее предпочтительный интерфейс.

Рассматриваемая функция определена в файле <linux/slab.h> следующим образом.

void * kmalloc(size_t size, int flags);

Данная функция возвращает указатель на участок памяти, который имеет размер хотя бы size байт [63] . Выделенный участок памяти содержит физически смежные страницы. В случае ошибки функция возвращает значение NULL. Выделение памяти в ядре заканчивается успешно, только если доступно достаточное количество памяти. Поэтому после вызова функции kmalloc всегда необходимо проверять возвращаемое значение на равенство значению NULL и соответственным образом обрабатывать ошибку.

63

Данная функция может выделить памяти больше, чем указано, и нет никакой возможности узнать, на сколько больше! Поскольку в своей основе система выделения памяти в ядре базируется на страницах, некоторые запросы на выделение памяти могут округляться, чтобы хорошо вписываться е области доступной памяти. Ядро никогда не выделит меньше памяти, чем необходимо. Если ядро не в состоянии найти хотя бы указанное количество байтов, то операция завершится неудачно и функции возвратит значение NULL.

Рассмотрим пример. Допустим, нам необходимо выделить достаточно памяти для того, чтобы в ней можно было разместить некоторую воображаемую структуру dog.

struct dog *ptr;
ptr = kmalloc(sizeof (struct dog), GFP_KERNEL);
if (!ptr)
 /* здесь обработать ошибку ... */

Если вызов функции kmalloc завершится успешно, то переменная ptr будет указывать на область памяти, размер которой больше указанного значения или равен ему. Флаг GFP_KERNEL определяет тип поведения системы выделения памяти, когда она пытается выделить необходимую память при вызове функции kmalloc.

Флаги gfp_mask

Выше были показаны различные примеры использования флагов, которые модифицируют работу системы выделения памяти, как при вызове низкоуровневых функций, работающих на уровне страниц, так и при использовании функции kmalloc. Теперь давайте рассмотрим их более детально.

Флаги разбиты на три категории: модификаторы операций, модификаторы зон и флаги типов. Модификаторы операций указывают, каким образом ядро должно выделять указанную память. В некоторых ситуациях только некоторые методы могут использоваться для выделения памяти. Например, обработчики прерываний могут потребовать от ядра, что нельзя переходить в состояние ожидания при выделении памяти (поскольку обработчики прерывания не могут быть перепланированы), Модификаторы зоны указывают, откуда нужно выделять память. Как было рассказано, ядро делит физическую память на несколько зон, каждая из которых служит для различных целей. Модификаторы зоны указывают, из какой зоны выделять память. Флаги типов представляют собой различные комбинации модификаторов операций и зон, которые необходимы для определенного типа выделения памяти. Флаги типов содержат в себе различные модификаторы, вместо которых можно просто использовать один флаг типа. Флаг GFP_KERNEL — это флаг типа, который используется кодом, выполняющимся в ядре в контексте процесса. Рассмотрим все флаги отдельно.

Модификаторы операций

Все флаги, включая модификаторы операций, определены в заголовочном файле <linux/gfp.h>. Подключение файла <linux/slab.h> также подключает и этот заголовочный файл, поэтому его не часто приходится подключать явно. На практике обычно лучше использовать флаги типов, которые будут рассмотрены дальше. Тем не менее полезно иметь представление об индивидуальных флагах. В табл. 11.3 показан список модификаторов операций.

Таблица 11.3. Модификаторы операций

Флаг	Описание
__GFP_WAIT	Операция выделения памяти может переводить текущий процесс в состояние ожидания
__GFP_HIGH	Операция выделения памяти может обращаться к аварийным запасам
__GFP_IO	Операция выделения памяти может использовать дисковые операции ввода-вывода
__GFP_FS	Операция выделения памяти может использовать операции ввода- вывода файловой системы
__GFP_COLD	Операция выделения памяти должна использовать страницы памяти, содержимое которых не находится в кэше процессора (cache cold)
__GFP_NOWARN	Операция выделения памяти не будет печатать сообщения об ошибках
__GFP_REPEAT	Операция выделения памяти повторит попытку выделения в случае ошибки
__GFP_NOFAIL	Операция выделения памяти будет повторять попытки выделения неопределенное количество раз
__GFP_NORETRY	Операция выделения памяти никогда не будет повторять попытку выделения памяти
__GFP_NO_GROW	Используется внутри слябового распределителя памяти (slab layer)
__GFP_COMP	Добавить метаданные составной (compound) страницы памяти. Используется кодом поддержки больших страниц памяти (hugetlb)

Описанные модификаторы можно указывать вместе, как показано в следующем примере.

ptr = kmalloc(size, __GFP_WAIT | __GFP_IO | __GFP_FS);

Этот код дает инструкцию ядру (а именно функции alloc_pages), что операция выделения памяти может быть блокирующей, выполнять операции ввода-вывода и операции файловой системы, если это необходимо. В данном случае ядру предоставляется большая свобода в отношении того, где оно будет искать необходимую память, чтобы удовлетворить запрос.

Большинство запросов на выделение памяти указывают эти модификаторы, но это делается косвенным образом с помощью флагов типа, которые скоро будут рассмотрены. Не нужно волноваться, у вас не будет необходимости каждый раз разбираться, какие из этих ужасных флагов использовать при выделении памяти!

Модификаторы зоны

Модификаторы зоны указывают, из какой зоны должна выделяться память. Обычно выделение может происходить из любой зоны. Однако ядро предпочитает зону ZONE_NORMAL, чтобы гарантировать, что в других зонах, когда это необходимо, есть свободные страницы.

Существует всего два модификатора зоны, поскольку, кроме зоны ZONE_NORMAL (из которой по умолчанию идет выделение памяти), существует всего две зоны. В табл. 11.4 приведен список модификаторов зоны.

Таблица 11.4. Модификаторы зоны

Флаг	Описание
__GFP_DMA	Выделять память только из зоны ZONE_DMA
__GFP_HIGHMEM	Выделять память только из зон ZONE_HIGHMEM и ZONE_NORMAL

Указание одного из этих флагов изменяет зону, из которой ядро пытается выделить память. Флаг __GFP_DMA требует, чтобы ядро выделило память только из зоны ZONE_DMA Этот флаг эквивалентен следующему высказыванию в форме жесткого требования: "Мне абсолютно необходима память, в которой можно выполнять операции прямого доступа к памяти". Флаг __GFP_HIGHMEM, наоборот, требует, чтобы выделение памяти было из зон ZONE_NORMAL и ZONE_HIGHMEM (вторая более предпочтительна). Этот флаг эквивалентен запросу: "Я могу использовать верхнюю память, но мне на самом деле, все равно, и делайте, что хотите, обычная память тоже подойдет".

Если не указан ни один из флагов, то ядро пытается выделять память из зон ZONE_NORMAL и ZONE_DMA, отдавая значительное предпочтение зоне ZONE_NORMAL.

Флаг __GFP_HIGHMEM нельзя укалывать при вызове функций __get_free_pages или kmalloc. Это связано с тем, что они возвращают логический адрес, а не структуру page, и появляется возможность, что эти функции выделят память, которая в данный момент не отображается в виртуальное адресное пространство ядра и поэтому не имеет логического адреса. Только функция alloc_pages может выделять страницы в верхней памяти. Однако в большинстве случаев в запросах на выделение памяти не нужно указывать модификаторы зоны, так как достаточно того, что используется зона ZONE_NORMAL.