核心内容摘要
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背景与引入在 Linux 内核中内存管理并不只局限于伙伴系统buddy allocator和 slab/slub 分配器。
在许多设备驱动、SoC 子系统以及共享内存场景中开发者往往需要管理一块地址固定、大小有限、分配规则特殊的内存区域例如设备 MMIO / SRAM / TCM多 OS / 多核共享内存DMA buffer、固件通信缓冲区预留内存reserved-memory这类内存既不适合直接交给 buddy system也不适合 slab 管理对象生命周期。
为此Linux 内核提供了一个相对独立、通用而轻量的组件 ——genpoolGeneric Memory Pool。
本文将从设计动机、核心数据结构、分配算法以及典型使用场景几个方面对 Linux genpool 进行系统性介绍。
什么是 genpoolgenpoolGeneric Pool是 Linux 内核中的一种通用内存池管理机制用于在一段连续的物理或虚拟地址区间上按固定最小粒度granularity进行动态分配和释放。
其核心目标可以概括为三点管理非伙伴系统的内存区域提供确定性强、开销低的分配接口适用于驱动和平台代码的早期或特殊内存管理genpool 的实现位于内核源码lib/genalloc.c include/linux/genalloc.h
genpool 的典型使用场景在内核中genpool 被广泛用于以下场景SoC驱动管理片上 SRAM / TCM设备固件通信Host–Device 共享内存DMA子系统特定地址范围的 buffer 分配reserved-memory设备树中预留内存的管理多 OS / 多核系统共享 non-cache memory这些场景具有一个共同特征内存区域的起始地址和大小在系统设计阶段已知但运行时需要进行灵活分配。
有很多和bitmap相关的算法
genpool 的核心设计思想
1 固定粒度granularity创建 genpool 时需要指定一个最小分配粒度通常是 2 的幂例如 32B / 64B / 4KBstruct gen_pool *gen_pool_create(int min_alloc_order, int nid);min_alloc_order最小分配单位 2^order 字节genpool 内部所有管理都基于该粒度这使得 genpool 在嵌入式和实时场景中具有非常稳定的分配行为。
2 基于位图bitmap的空间管理genpool 内部并不维护复杂的红黑树或链表而是采用bitmap描述内存块使用情况每一 bit 对应一个最小粒度单元这种设计带来的好处包括空间开销小实现简单、易于验证非常适合硬件资源管理
3 chunk 抽象genpool 并不要求所有内存一次性加入而是引入了chunk的概念。
每个 chunk 对应一段连续地址空间start_addr ~ end_addr配套一份 bitmap一个 genpool 可以由多个 chunk 组成这使其在平台初始化阶段具有更高的灵活性。
genpool 的分配与释放机制
1 添加内存到 genpool该接口用于将一段内存区域注册到 genpool 中通常发生在平台初始化驱动 probe 阶段bits是尾部的变长数组已经都一起分配并且清零了
2 内存分配分配流程简要概括为将 size 向上对齐到最小粒度遍历 pool 中的各个 chunk在 bitmap 中查找连续空闲 bit 区间标记 bit 为已使用返回对应地址genpool不保证最佳适配best-fit而是更偏向简单、快速、可预测的策略。
可以选择最快或者最佳适应的算法bitmap_set_ll是在读锁下面的操作竞争如果没有设置完所有的bit就清除自己设置的bit因为流程都是从前到后的顺序设置的这个开读锁再竞争的操作真的骚