Разработка ядра Linux - Роберт Лав

По своим свойствам между рассмотренными флагами находятся флаги GFP_NOIC и GFP_NOFS. Операции выделения памяти, которые запущены с этими флагами, могут блокироваться, но они воздерживаются от выполнения некоторых действий. Выделение памяти с флагом GFP_NOIO не будет запускать никаких операций дискового ввода-вывода. С другой стороны, при использовании флага GFP_NOFS могут запускаться операции дискового ввода-вывода, но не могут запускаться операции файловых систем. Когда эти флаги могут быть полезны? Они соответственно необходимы для определенного низкоуровневого кода блочного ввода-вывода или кода файловых систем. Представьте себе, что в некотором часто используемом участке кода файловых систем используется выделение памяти без указания флага GFP_NOFS. Если выделение памяти требует выполнения операций файловой системы, то выделение памяти приведет к еще большему количеству операций файловой системы, которые потребуют дополнительного выделения памяти и еще большего количества файловых операций! При разработке кода, который использует выделение памяти, необходимо гарантировать, что операции выделения памяти не будут использовать этот код, как в рассмотренном случае, иначе может возникнуть самоблокировка. Не удивительно, что и ядре рассматриваемые флаги используются только в небольшом количестве мест.

Флаг GFP_DMA применяется для указания, что система выделения памяти должна при выполнении запроса предоставить память из зоны ZONE_DMA. Этот флаг используется драйверами устройств, для которых необходимо выполнение операций прямого доступа к памяти. Обычно этот флаг должен комбинироваться с флагами GFP_ATOMIC или GFP_KERNEL.

В подавляющем большинстве случаев при разработке кода вам будет необходимо использовать флаги GFP_ATOMIC или GFP_KERNEL. В табл. 11.7 показано какие флаги и в каких ситуациях необходимо использовать. Независимо от типа операции выделения памяти, необходимо проверять результат и обрабатывать ошибки.

Таблица 11.7. Какой флаг и когда необходимо использовать

Ситуация Решение Контекст процесса, можно переходить в состояние ожидания Используется флаг GFP_KERNEL Контекст процесса, нельзя переходить в состояние ожидания Используется флаг GFP_ATOMIC или память выделяется с использованием флага GFP_KERNEL но в более ранний или поздний момент, когда можно переходить в состояние ожидания Обработчик прерывания Используется флаг GFP_ATOMIC Обработка нижней половины Используется флаг GFP_ATOMIC Необходима память для выполнения операций ПДП, можно переходить в состояние ожидания Используются флаги (GFP_DMA | GFP_KERNEL) Необходима память для выполнения операций ПДП, нельзя переходить в состояние ожидания Используются флаги (GFP_DMA | GFP_ATOMIC) или выделение выполняется в более поздний или более ранний момент времени

Функция kfree()

Обратной к функции kmalloc() является функция kfree(), которая определена в файле <linux/slab.h> следующим образом.

void kfree(const void *ptr);

Функция kfree() позволяет освободить память, ранее выделенную с помощью функции kmalloc(). Вызов этой функции для памяти, которая ранее не была выделена с помощью функции kmalloc() или уже была освобождена, приводит к очень плохим последствиям, таким как освобождение памяти, которая принадлежит другим частям ядра. Так же как и в пространстве пользователя, количество операций выделения памяти должно быть равно количеству операций освобождения, чтобы предотвратить утечку памяти и другие проблемы. Следует обратить внимание, что случай вызова kfree(NULL) специально проверяется и поэтому является безопасным.

Рассмотрим пример выделения памяти в обработчике прерывания. В этом примере обработчику прерывания необходимо выделить буфер памяти для хранения входных данных. С помощью препроцессора определяется константа. BUF_SIZE, как размер буфера памяти в байтах, который, скорее всего, должен быть больше, чем несколько байт.

char *buf;

buf = kmalloc(BUF_SIZE, GFP_ATOMIC);

if (!buf)

 /* ошибка выделения памяти! */

Позже, когда память больше не нужна, нужно не забыть освободить ее с помощью вызова функции

kfree(buf);

Функция vmalloc()

Функция vmalloc() работает аналогично функции kmalloc(), за исключением того, что она выделяет страницы памяти, которые только виртуально смежные и необязательно смежные физически. Точно так же работают и функции выделения памяти в пространстве пользователя: страницы памяти, которые выделяются с помощью функции malloc(), являются смежными в виртуальном адресном пространстве процесса, но нет никакой гарантии, что они смежные в физической оперативной памяти. Функция kmalloc() отличается тем, что гарантирует, что страницы памяти будут физически (и виртуально) смежными. Функция vmalloc() гарантирует только, что страницы будут смежными в виртуальном адресном пространстве ядра. Это реализуется путем выделения потенциально несмежных участков физической памяти и "исправления" таблиц страниц, чтобы отобразить эту физическую память в непрерывный участок логического адресного пространства.

Большей частью, только аппаратным устройствам необходимо выделение физически непрерывных участков памяти. Аппаратные устройства существуют по другую сторону модуля управления памятью и не "понимают" виртуальной адресации. Следовательно, все области памяти, с которыми работают аппаратные устройства, должны состоять из физически смежных блоков, а не из виртуально непрерывных участков. Для участков памяти, которые используются только программным обеспечением, например буферы памяти, связанные с процессами, прекрасно подходят области памяти, которые только виртуально непрерывны. При программировании заметить разницу невозможно. Это связано с тем, что память ядром воспринимается как логически непрерывная.

Несмотря на то что физически смежные страницы памяти необходимы только в определенных случаях, большая часть кода ядра использует для выделения памяти функцию kmalloc(), а не vmalloc(). Это, в основном, делается из соображений производительности. Для того чтобы физически несмежные страницы памяти сделать смежными в виртуальном адресном пространстве, функция vmalloc() должна соответствующим образом заполнить таблицы страниц. Хуже того, страницы памяти, которые получаются с помощью функции vmalloc(), должны отображаться посредством страниц памяти, которые принадлежат к таблицам страниц (потому что выделяемые страницы памяти физически несмежные). Это приводит к значительно менее эффективному использованию буфера TLB[64], чем в случае, когда страницы памяти отображаются напрямую. Исходя из этих соображений функция vmalloc() используется только тогда, когда она абсолютно необходима, обычно это делается для выделения очень больших областей памяти. Например, при динамической загрузке модулей ядра, модули загружаются в память, которая выделяется с помощью функции vmalloc().

Функция vmalloc() объявлена в файле <linux/vmalloc.h> и определена в файле mm/vmalloc.с. Использование этой функции аналогично функции malloc() пространства пользователя.

void *vmalloc(unsigned long size);

Функция возвращает указатель на виртуально непрерывную область памяти размером по крайней мере size байт. В случае ошибки эта функция возвращает значение NULL. Данная функция может переводить процесс в состояние ожидания и соответственно не может вызываться в контексте прерывания или в других ситуациях, когда блокирование недопустимо.

Для освобождения памяти, выделенной с помощью функции vmalloc(), необходимо использовать функцию

void vfree(void *addr);

Эта функция освобождает участок памяти, который начинается с адреса addr и был ранее выделен с помощью функции vmalloc(). Данная функция также может переводить процесс в состояние ожидания и поэтому не может вызываться из контекста прерывания. Функция не возвращает никаких значений.

Использовать рассмотренные функции очень просто. Например, следующим образом.

char *buf;

buf = vmalloc(16 * PAGE_SIZE); /* получить 16 страниц памяти */