Linux通过伙伴系统申请内核内存的函数有哪些?

封面图 • 2025-10-29 • Linux

在 Linux 内核中，**伙伴系统（Buddy System）** 是用于管理物理内存页的机制，主要用于分配和释放连续的物理内存块。Linux 内核提供了多个函数来通过伙伴系统申请或释放内存。以下是一些常用的与伙伴系统相关的内核内存申请函数：

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### ✅ 1. `kmalloc()`  
虽然 `kmalloc()` 不直接使用伙伴系统，但它内部会调用伙伴系统来获取大块内存。

- **功能**：分配指定大小的内存块，适用于一般内核对象。
- **参数**：
  ```c
  void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);
  ```
- **flags**：通常使用 `GFP_KERNEL`、`GFP_ATOMIC` 等标志。
- **注意**：对于大于 `PAGE_SIZE` 的请求，`kmalloc()` 会使用伙伴系统分配多个页。

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### ✅ 2. `__get_free_pages()`  
这是直接使用伙伴系统分配连续物理页的函数。

- **功能**：分配连续的物理内存页（以页为单位）。
- **参数**：
  ```c
  unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order);
  ```
- **order**：表示分配的页数是 2^order 个页（例如 order=0 表示 1 页，order=1 表示 2 页）。
- **返回值**：返回第一个页的物理地址（虚拟地址需要通过 `virt_to_phys()` 或 `page_address()` 转换）。

> ⚠️ 注意：这个函数返回的是物理地址，不是虚拟地址，使用时需特别小心。

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### ✅ 3. `alloc_pages()`  
这是更底层的伙伴系统接口，用于分配页面。

- **功能**：分配一个或多个连续的物理页。
- **参数**：
  ```c
  struct page *alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order);
  ```
- **返回值**：返回指向第一个 `struct page` 的指针。
- **用途**：常用于需要操作 `struct page` 的场景，比如设备驱动、内存管理模块等。

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### ✅ 4. `alloc_page()`  
这是 `alloc_pages()` 的简化版本，只分配一页。

- **功能**：分配一页物理内存。
- **参数**：
  ```c
  struct page *alloc_page(gfp_t gfp_mask);
  ```

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### ✅ 5. `__free_pages()`  
释放由 `__get_free_pages()` 或 `alloc_pages()` 分配的内存。

- **功能**：释放连续的物理页。
- **参数**：
  ```c
  void __free_pages(struct page *page, unsigned int order);
  ```

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### ✅ 6. `free_pages()`  
这是一个封装函数，用于释放由 `__get_free_pages()` 返回的物理地址。

- **功能**：释放由 `__get_free_pages()` 分配的内存。
- **参数**：
  ```c
  void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order);
  ```

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## 📌 总结：常用伙伴系统相关函数

| 函数名             | 是否直接使用伙伴系统 | 功能说明                             |
|--------------------|----------------------|--------------------------------------|
| `kmalloc()`        | 否                   | 分配小块内存（内部可能使用伙伴系统） |
| `__get_free_pages()` | 是                  | 分配连续物理页（以页为单位）         |
| `alloc_pages()`    | 是                  | 分配连续物理页（返回 `struct page`） |
| `alloc_page()`     | 是                  | 分配一页物理内存                     |
| `__free_pages()`   | 是                  | 释放由 `alloc_pages()` 分配的内存     |
| `free_pages()`     | 是                  | 释放由 `__get_free_pages()` 分配的内存 |

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## 🧠 小贴士：

- 在内核中，`GFP_KERNEL` 适用于可以睡眠的上下文（如进程上下文），而 `GFP_ATOMIC` 适用于不能睡眠的上下文（如中断处理程序）。
- 如果你只需要分配一个页面，推荐使用 `alloc_page()` 或 `__get_free_page()`。
- 如果你需要分配多个连续的页面，使用 `alloc_pages()` 或 `__get_free_pages()`。

如果你有具体的使用场景（如驱动开发、内存池实现等），我可以提供更针对性的建议。