Linux内核之内存2: 内存的动态申请、释放的原理和细节

小鱼儿 2022-12-01 14:04 327阅读 0赞

## 1.slab、kmalloc/kfree、/proc/slabinfo和slabtop ##

**Buddy** 是直面物理内存的，所有的内存分配，最终都通过Buddy的get\_free\_page/page\_alloc分配；

Buddy的粒度太大，最小分配一页(4k); 而我们常常需要分配小内存；

所以Linux引入一个**二级分配**的概念：

1.内核分配内存，调用kmalloc()/kfree()–调用slab–再调用Buddy ;

2.用户空间malloc/free–调用C库–C库通过brk/mmap调用Buddy；

free释放的内存，只是释放给C库，未必真正释放；释放给C库的内存，其他进程无法使用，共享代码段，数据段独立；

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### **(1)slab原理：** ###

就是从Buddy拿到一个/多个页，分成多个相同大小的块，比如进程控制块task\_struct这种内核中常用的结构体，可以先从Buddy申请一个slab池，实际kmalloc分配的时候，直接从slab里分配。可以提高速度，也可以使内存得到充分使用，减少内存碎片；

每一个slab里的所有块，大小一定是相同的；

sudo cat /proc/slabinfo

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cat /proc/meminfo

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slab也是一个内存泄漏的源头；

应用程序free内存，未必一定释放，可以通过mallopt设置free内存的触发阈值，触发阈值，free才真正在Buddy  
释放；

### (2) kmalloc / vmalloc详细过程 ###

(1)kmalloc从低端内存区域分配，该区域是开机就一次性映射好；所以kmalloc申请，不需要做映射, 且在物理内存上是连续的。  
phys\_to\_virt/virt\_to\_phys只是一个简单的内存线性偏移。

(2)vmalloc申请的虚拟内存，可以从普通物理内存空间分配，也可以从低端内存分配；  
调用vmalloc申请，会有一个虚拟地址到物理地址映射过程。

ioremap映射的也是vmalloc虚拟地址，不过不用申请内存，ioremap映射的是寄存器；

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映射跟分配是两回事，低端被映射之后，不一定被使用；

sudo cat /proc/vmallocinfo |grep ioremap
    //可以查看虚拟地址映射物理地址/寄存器关系

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### **kmalloc和vmalloc区别**大概可总结为： ###

(1)vmalloc分配的一般为普通内存，只有当内存不够的时候才分配低端内存；kmalloc从低端内存分配。

(2)vmalloc分配的物理地址一般不连续，而kmalloc分配的物理地址连续，两者分配的虚拟地址都是连续的；

(3)vmalloc分配的一般为大块内存，而kmallc一般分配的为小块内存；

## 2.用户空间malloc/free与内核之间的关系 ##

问题1：malloc:VSS , RSS

p = malloc(100M);//分配过程

1.在进程的堆中找到一个空闲地址，比如1G，创建一个VMA(virtual memory  
area),权限可读写;

2.将p=1G~1G+100M全部映射到零页(标记为只读)；

3.当读p虚拟内存的时候，全部返回0，实际上任何内存都未分配;

4.当写内存时，比如写1G+30M处，而该地址映射向零页(只读)，MMU发现权限错误，报page fault，CPU可以从page fault中得到写地址和权限，检查vma中的权限，如果vma标明可写，那么触发缺页中断，内核分配一个4K物理页，重新填写1G+30M页表，使其映射到新分配的物理页；

这样该页就分配了实际的物理内存，其他所有未使用到的虚拟地址亦然映射到零页。

如果检查vma发现没有可写权限，则报段错误；

如果检查vma合法，但是系统内存已经不够用，则报**out of memory(OOM).**

在真正写的时候，才去分配，这是按需分配，或者惰性分配；

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只申请了VMA，未实际拿到物理内存，此时叫VSS；拿到实际内存后是RSS(驻留内存)；

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-PxCi8frV-1598498836064)(media/b1afb692a76f8950bf78d3c2cca5934d.png)\]][img-PxCi8frV-1598498836064_media_b1afb692a76f8950bf78d3c2cca5934d.png]

属于按需分配demanding page，或者惰性分配lazy allocation；

对于代码段(实际读时，才实际去分配内存，把代码从硬盘读到内存)，数据段都是类似处理，实际使用时，才会实际分配内存；

## 3 内存耗尽(OOM)、oom\_score和oom\_adj ##

在实际分配内存，发现物理内存不够用时，内核报OOM，杀掉最该死进程(根据oom\_score打分)，释放内存；

打分机制，主要看消耗内存多少(先杀大户)，mm/oom\_kill.c的badness()给每个进程一个oom\_score，一般取决于：

### 驻留内存、pagetable和swap的使用； ###

oom_score_adj:oom_score会加上oom_score_adj这个值；
    
    oom_adj：-17~15的系数调整

关掉交换内存分区:

sudo swapoff -a
    
    sudo sh -c ‘echo 1 \> /proc/sys/vm/overconmit_memory’
    
    git grep overcommit_memory

dmesg //查看oom进程的oom_score

查看chrome进程的oom\_score

pidof chrome
    cd /proc/28508/
    cat oom_score

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-1IA0BSXz-1598498836065)(media/60320ab44bb614699daf3e9d8987662f.png)\]][img-1IA0BSXz-1598498836065_media_60320ab44bb614699daf3e9d8987662f.png]

由上图可知，

1将oom\_adj值设置越大，oom\_score越大，进程越容易被杀掉；

2.将oom\_adj设置更大时，普通权限就可以；要将oom\_adj设置更小，需要root权限；

即设置自身更容易死掉，自我牺牲是很容易的，设置自己不容易死，是索取，需要超级权限才可以；

## 4 Android进程生命周期与OOM ##

android进程的生命周期靠OOM来驱动；

android手机多个进程间切换时，会动态设置相应oom\_adj，调低前台进程的oom\_adj，调高后台进程的oom\_adj，当内存不够时，优先杀后台进程。所以内存足够大，更容易平滑切换。

对于简单的嵌入式系统，可以设置当oom时，是否panic

cd /proc/sys/vm
    cat panic_on_oom

mm/oom\_kill.c oom\_badness()函数不停调整进程oom\_score值；

总结一个典型的ARM32位，Linux系统，内存分布简图；

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-wnKzoP6Y-1598498836066)(media/af35bc71b0929f7331e05f24c4465db6.png)\]][img-wnKzoP6Y-1598498836066_media_af35bc71b0929f7331e05f24c4465db6.png]

ARM32位内核空间3G-16M～4G

3G-16M～3G-2M用来映射KO

3G-2M~3G:可以用kmap申请高端内存，用kmap，建立一个映射，临时访问页，访问完后kunmap掉；

进程的写时拷贝技术，mm/memory.c/cow\_user\_page用到kmap映射；

其他练习：

1.看/proc/slabinfo，运行slabtop

运行mallopt.c程序：mallopt等

运行一个很耗费内存的程序，观察oom memory

通过oom\_adj调整firefox的oom\_score

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