【技术】Linux内核中三种主要内存分配器的示例

在Linux内核中，有三种主要的内存分配器，它们是引导内存分配器（bootmem allocator）、伙伴分配器（buddy allocator）和slab分配器（slab allocator）。这些分配器在内核中的不同阶段和不同目的下使用。

1. 引导内存分配器（bootmem allocator）：

功能特点：引导内存分配器是Linux内核在引导过程中使用的一种简单的内存分配器。它的主要功能是在系统引导期间为内核提供初始的物理内存分配，以便内核开始运行并加载更复杂的内存管理机制。

应用示例：引导内存分配器主要用于系统引导过程中，当内核尚未初始化完整的内存管理机制时。在这个阶段，内核需要手动管理物理内存以确保能够正常加载和运行。

2. 伙伴分配器（buddy allocator）：

功能特点：伙伴分配器是Linux内核中用于动态管理内核虚拟内存的主要分配器。它通过将内存划分为一系列大小相等的区域（伙伴区域），实现内存分配和释放。

应用示例：伙伴分配器在内核运行时期间用于动态分配内存给各个进程或内核模块。它能够高效地处理内存碎片问题，使得内存分配和释放更为高效。

3. slab分配器（slab allocator）：

功能特点：slab分配器是Linux内核中用于管理内核对象缓存的分配器。它通过预先分配一块连续的内存作为对象的缓存池，并在需要时分配给请求者，提高内核对象分配的效率。

应用示例：slab分配器广泛用于内核中的各种数据结构，如进程控制块（PCB）、文件控制块（FCB）、网络套接字等。通过使用slab分配器，内核能够在需要频繁分配和释放内存的情况下提高性能，并减少内存碎片化的问题。

3、引导内存分配器（Bootstrap Allocator）是 Linux 内核中用于在系统引导阶段分配内存的一种分配器。它主要用于初始化阶段，在内核尚未完全初始化之前，提供一种简单而有效的内存分配机制。

下面是一个引导内存分配器应用示例：

在上述示例中：

• 使用 bootmem_init() 函数初始化引导内存分配器，指定分配的内存大小为 1MB。
• 使用 bootmem_alloc() 函数通过引导内存分配器分配了 1MB 大小的内存。
• 使用 bootmem_bootmap_pages() 函数获取分配的内存区域的大小。
• 输出了分配的内存的起始地址和大小。

2、伙伴分配器（Buddy Allocator）是 Linux 内核中用于管理物理内存的一种分配器，它主要用于管理大块内存的分配和释放。

下面是一个伙伴分配器应用示例，演示如何在 Linux 内核模块中使用伙伴分配器分配和释放内存：

在上述示例中：

• 使用 kmalloc() 函数通过伙伴分配器分配了 1MB 大小的内存。
• 使用 virt_to_page() 函数将分配的内存转换为物理页描述符（page）。
• 输出了分配的内存的物理地址和页面数。

1、SLAB 分配器是 Linux 内核中用于管理内核对象缓存的一种内存分配器。它通常用于管理内核中的小型对象，如进程控制块（PCB）、文件描述符、网络数据包等。

下面是一个 SLAB 分配器的应用示例：

假设我们要编写一个 Linux 内核模块，用于管理一个简单的任务队列。该队列中包含多个任务对象，每个任务对象由一个结构体表示，包含任务的 ID 和执行状态等信息。我们将使用 SLAB 分配器来动态分配和管理这些任务对象的内存。

1. 首先，在内核模块中定义任务对象的结构体：

2、接着，在模块初始化函数中使用 SLAB 分配器分配任务对象的内存：

3、在模块退出函数中释放 SLAB 缓存和任务对象的内存：

在实际应用中，SLAB 分配器帮助内核模块高效地管理各种内核对象的内存，提高系统的性能和稳定性。