在Linux內(nèi)核中，內(nèi)存管理是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基石，而伙伴系統(tǒng)（Buddy System）作為內(nèi)核物理內(nèi)存分配的核心機(jī)制，更是驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)、內(nèi)核模塊開(kāi)發(fā)的必備知識(shí)點(diǎn)。它通過(guò)"2的冪次分配粒度"巧妙解決了外碎片問(wèn)題，而我們申請(qǐng)內(nèi)核內(nèi)存的所有操作，最終都要通過(guò)伙伴系統(tǒng)提供的核心函數(shù)來(lái)完成。

今天這篇文章，我們就來(lái)全面拆解伙伴系統(tǒng)的內(nèi)存申請(qǐng)函數(shù)：從底層核心到上層封裝，從參數(shù)解析到實(shí)戰(zhàn)示例，再到可視化流程，幫你徹底搞懂"內(nèi)核內(nèi)存怎么申請(qǐng)"。

一、前言：為什么要關(guān)注伙伴系統(tǒng)？

內(nèi)核內(nèi)存和用戶態(tài)內(nèi)存完全是兩套管理體系：用戶態(tài)有malloc/free，但內(nèi)核態(tài)不能直接用——內(nèi)核需要更高效、更安全的內(nèi)存分配方式，而伙伴系統(tǒng)就是為此而生。

?解決外碎片：傳統(tǒng)連續(xù)分配會(huì)產(chǎn)生大量"無(wú)法利用的小空閑塊"，伙伴系統(tǒng)通過(guò)固定2^order的分配粒度，讓空閑塊可拆分、可合并，從根源減少外碎片；

?支撐內(nèi)核核心功能：進(jìn)程棧、內(nèi)核模塊、設(shè)備緩沖區(qū)等所有內(nèi)核態(tài)內(nèi)存需求，都依賴伙伴系統(tǒng)分配；

?開(kāi)發(fā)必備技能：驅(qū)動(dòng)或內(nèi)核模塊中，只要涉及內(nèi)存操作，就必須掌握伙伴系統(tǒng)的申請(qǐng)/釋放函數(shù)。

在講函數(shù)之前，先快速回顧下伙伴系統(tǒng)的核心原理，幫你建立認(rèn)知基礎(chǔ)。

二、伙伴系統(tǒng)核心原理速覽

伙伴系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想非常簡(jiǎn)潔，核心圍繞3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

1.分配粒度：物理內(nèi)存被劃分為"頁(yè)塊"，塊大小必須是2^order個(gè)物理頁(yè)（order稱為"分配階"）。比如order=0對(duì)應(yīng)1頁(yè)，order=1對(duì)應(yīng)2頁(yè)，order=3對(duì)應(yīng)8頁(yè)，最大order由MAX_ORDER定義（默認(rèn)11，即最大2048頁(yè)= 8MB）；

2.伙伴塊定義：兩個(gè)大小相同、物理地址連續(xù)、且來(lái)自同一父塊的頁(yè)塊，互為"伙伴"。比如order=1的塊（2頁(yè)）拆分后，會(huì)生成兩個(gè)order=0的伙伴塊；

3.分配/釋放邏輯：

?分配：先找對(duì)應(yīng)order的空閑塊，找到直接分配；找不到就拆分更高order的空閑塊，直到得到目標(biāo)大小；

?釋放：釋放的塊會(huì)檢查是否有空閑伙伴，若有則合并為更高order的塊，逐步歸還到空閑鏈表。

理解了這3點(diǎn)，再看后續(xù)的函數(shù)就會(huì)豁然開(kāi)朗——所有申請(qǐng)函數(shù)的本質(zhì)，都是向伙伴系統(tǒng)請(qǐng)求"指定order的連續(xù)物理頁(yè)塊"。

三、伙伴系統(tǒng)核心申請(qǐng)函數(shù)詳解

伙伴系統(tǒng)提供了一套"底層核心+上層封裝"的函數(shù)體系，不同函數(shù)適用于不同場(chǎng)景。我們從底層到上層逐一拆解：

3.1底層核心：__alloc_pages ()

__alloc_pages()是伙伴系統(tǒng)最底層的內(nèi)存申請(qǐng)函數(shù)，所有其他申請(qǐng)函數(shù)最終都會(huì)調(diào)用它?？梢哉f(shuō)，它是"內(nèi)核內(nèi)存分配的入口"。

函數(shù)原型

structpage*__alloc_pages(gfp_tgfp_mask,unsignedintorder);

核心作用

直接向伙伴系統(tǒng)申請(qǐng)2^order個(gè)連續(xù)物理頁(yè)，返回對(duì)應(yīng)物理頁(yè)的struct page結(jié)構(gòu)體指針（注意：返回的是物理頁(yè)描述符，不是虛擬地址）。

參數(shù)解析

參數(shù)名	作用說(shuō)明
gfp_mask	分配策略標(biāo)志（核心參數(shù)?。?，告訴內(nèi)核"怎么分配內(nèi)存"（能否睡眠、用哪種內(nèi)存域等）
order	分配階（0≤order），表示申請(qǐng)2^order個(gè)連續(xù)物理頁(yè)

關(guān)鍵補(bǔ)充：gfp_mask常用取值

gfp_mask是內(nèi)核內(nèi)存分配的"策略開(kāi)關(guān)"，不同場(chǎng)景必須選對(duì)，否則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)異常：

?GFP_KERNEL：最常用，允許睡眠（可觸發(fā)頁(yè)回收），適用于進(jìn)程上下文（比如驅(qū)動(dòng)的probe函數(shù)、內(nèi)核線程）；

?GFP_ATOMIC：不允許睡眠、不允許觸發(fā)頁(yè)回收，適用于中斷上下文（比如中斷處理函數(shù)）；

?GFP_DMA：僅從DMA內(nèi)存域分配（適用于需要DMA傳輸?shù)脑O(shè)備緩沖區(qū)）；

?GFP_HIGHUSER：允許從高端內(nèi)存分配（適用于大內(nèi)存場(chǎng)景）。

返回值

?成功：返回第一個(gè)物理頁(yè)的struct page指針；

?失敗：返回NULL（表示沒(méi)有找到滿足條件的連續(xù)物理頁(yè)）。

特點(diǎn)

?底層裸函數(shù)，沒(méi)有參數(shù)合法性檢查（比如order超過(guò)MAX_ORDER也會(huì)嘗試分配）；

?不建議直接調(diào)用（風(fēng)險(xiǎn)高），僅內(nèi)核核心代碼使用；

?返回的是page結(jié)構(gòu)體，需要手動(dòng)轉(zhuǎn)換為虛擬地址才能訪問(wèn)（用page_to_virt()）。

3.2常用封裝：alloc_pages ()

alloc_pages()是對(duì)__alloc_pages()的上層封裝，也是驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)中最常用的"page級(jí)分配函數(shù)"。

函數(shù)原型

structpage*alloc_pages(gfp_tgfp_mask,unsignedintorder);

核心作用

與__alloc_pages()功能一致，但增加了參數(shù)合法性檢查，更安全。

與__alloc_pages ()的區(qū)別

特性	__alloc_pages()	alloc_pages()
參數(shù)檢查	無(wú)	有（比如檢查order范圍）
適用場(chǎng)景	內(nèi)核核心代碼	驅(qū)動(dòng)/內(nèi)核模塊開(kāi)發(fā)
安全性	低	高

適用場(chǎng)景

需要直接操作struct page結(jié)構(gòu)體的場(chǎng)景：

?設(shè)置頁(yè)屬性（比如標(biāo)記為只讀、可緩存）；

?映射高端內(nèi)存（高端內(nèi)存無(wú)法直接訪問(wèn)，需要通過(guò)page結(jié)構(gòu)體建立映射）；

?管理物理頁(yè)的引用計(jì)數(shù)。

3.3虛擬地址直達(dá)：__get_free_pages ()

如果不需要操作page結(jié)構(gòu)體，只想直接獲取可訪問(wèn)的虛擬地址，__get_free_pages()是最優(yōu)選擇——它幫我們完成了"申請(qǐng)page +轉(zhuǎn)換虛擬地址"的全過(guò)程。

函數(shù)原型

unsignedlong__get_free_pages(gfp_tgfp_mask,unsignedintorder);

核心作用

申請(qǐng)2^order個(gè)連續(xù)物理頁(yè)，并返回對(duì)應(yīng)的內(nèi)核虛擬地址（直接可讀寫(xiě)）。

內(nèi)部邏輯

// 偽代碼：__get_free_pages()的實(shí)現(xiàn)邏輯unsignedlong__get_free_pages(gfp_tgfp_mask,unsignedintorder) { structpage*page =alloc_pages(gfp_mask, order); // 調(diào)用alloc_pages() if(!page)   return0; // 失敗返回0（內(nèi)核虛擬地址不會(huì)是0） return(unsignedlong)page_to_virt(page); // 轉(zhuǎn)換為虛擬地址}

參數(shù)與返回值

?參數(shù)和alloc_pages()完全一致；

?返回值：成功返回內(nèi)核虛擬地址（非0），失敗返回0（注意：不是NULL，因?yàn)榉祷刂凳?/span>unsigned long）。

適用場(chǎng)景

大部分驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)場(chǎng)景：比如申請(qǐng)?jiān)O(shè)備緩沖區(qū)、臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等，直接用虛擬地址讀寫(xiě)即可，無(wú)需關(guān)心物理頁(yè)細(xì)節(jié)。

3.4清零內(nèi)存：get_zeroed_page ()

如果申請(qǐng)的內(nèi)存需要初始化為0（避免臟數(shù)據(jù)影響），get_zeroed_page()是專用函數(shù)——它是__get_free_pages()的"清零版本"。

函數(shù)原型

unsignedlongget_zeroed_page(gfp_tgfp_mask);

核心作用

申請(qǐng)1頁(yè)（order=0）內(nèi)存，并將整個(gè)頁(yè)面清零，返回內(nèi)核虛擬地址。

內(nèi)部邏輯

// 偽代碼：get_zeroed_page()的實(shí)現(xiàn)邏輯unsignedlongget_zeroed_page(gfp_tgfp_mask){ unsignedlongaddr = __get_free_pages(gfp_mask | __GFP_ZERO,0); // __GFP_ZERO標(biāo)志會(huì)讓內(nèi)核在分配時(shí)自動(dòng)清零 returnaddr;}

適用場(chǎng)景

需要"干凈內(nèi)存"的場(chǎng)景：比如存放配置結(jié)構(gòu)體、用戶數(shù)據(jù)拷貝緩沖區(qū)等，避免未初始化的臟數(shù)據(jù)導(dǎo)致邏輯錯(cuò)誤。

3.5簡(jiǎn)化變體：alloc_page ()與__get_free_page ()

為了方便"申請(qǐng)1頁(yè)內(nèi)存"的場(chǎng)景，內(nèi)核提供了兩個(gè)簡(jiǎn)化函數(shù)（本質(zhì)是宏定義）：

?alloc_page(gfp_mask)=alloc_pages(gfp_mask, 0)（申請(qǐng)1頁(yè)，返回page指針）；

?__get_free_page(gfp_mask)=__get_free_pages(gfp_mask, 0)（申請(qǐng)1頁(yè)，返回虛擬地址）。

四、實(shí)戰(zhàn)示例：函數(shù)怎么用？

光說(shuō)不練假把式，我們用3個(gè)實(shí)際示例，演示核心函數(shù)的使用（基于Linux內(nèi)核5.4，可直接編譯為內(nèi)核模塊）。

示例1：__get_free_pages ()分配內(nèi)存（最常用場(chǎng)景）

#include#include#include#includeMODULE_LICENSE("GPL");MODULE_DESCRIPTION("__get_free_pages() Example");#defineALLOC_ORDER 1 // 申請(qǐng)2^1=2頁(yè)內(nèi)存#defineALLOC_SIZE (PAGE_SIZE << ALLOC_ORDER) ?// 總大小=2*4096=8192字節(jié)staticunsignedlongvirt_addr; // 保存分配的虛擬地址// 模塊加載函數(shù)（進(jìn)程上下文，可用GFP_KERNEL）staticint__initfree_pages_init(void){ // 申請(qǐng)2頁(yè)內(nèi)存，策略GFP_KERNEL（可睡眠）  virt_addr = __get_free_pages(GFP_KERNEL, ALLOC_ORDER); if(!virt_addr) { // 檢查分配結(jié)果   printk(KERN_ERR"Failed to allocate memory with __get_free_pagesn");   return-ENOMEM; // 分配失敗，模塊加載失敗  } // 向分配的內(nèi)存寫(xiě)入數(shù)據(jù)（直接用虛擬地址訪問(wèn)） sprintf((char*)virt_addr,"Buddy System: Allocate %d pages, size %d bytes",      (1<< ALLOC_ORDER), ALLOC_SIZE);  // 打印日志（dmesg查看） printk(KERN_INFO"Allocated virtual address: 0x%lxn", virt_addr); printk(KERN_INFO"Data in memory: %sn", (char*)virt_addr); return0;}// 模塊卸載函數(shù)（釋放內(nèi)存）staticvoid__exitfree_pages_exit(void){ if(virt_addr) { // 確認(rèn)內(nèi)存已分配   free_pages(virt_addr, ALLOC_ORDER); // 對(duì)應(yīng)__get_free_pages()的釋放函數(shù)   printk(KERN_INFO"Memory freed successfullyn");  }}module_init(free_pages_init);module_exit(free_pages_exit);

編譯運(yùn)行步驟

1.編寫(xiě)Makefile：

obj-m += buddy_demo1.oall:  make -C /lib/modules/$(shelluname -r)/build M=$(PWD)modulesclean:  make -C /lib/modules/$(shelluname -r)/build M=$(PWD)clean

1.編譯：make

2.加載模塊：sudo insmod buddy_demo1.ko

3.查看日志：dmesg | grep "Buddy System"

4.卸載模塊：sudo rmmod buddy_demo1

預(yù)期輸出

[12345.678901] Allocatedvirtualaddress:0xffff88800abc0000[12345.678905] Datainmemory: Buddy System: Allocate2pages, size8192bytes[12345.678907] Memory freed successfully

示例2：alloc_pages ()操作page結(jié)構(gòu)體

#include#include#include#includeMODULE_LICENSE("GPL");MODULE_DESCRIPTION("alloc_pages() Example");staticstructpage*page_ptr;staticunsignedlongvirt_addr;staticint__initalloc_pages_init(void){ // 申請(qǐng)1頁(yè)內(nèi)存，返回page結(jié)構(gòu)體指針  page_ptr =alloc_pages(GFP_KERNEL,0); if(!page_ptr) {   printk(KERN_ERR"Failed to allocate page with alloc_pagesn");   return-ENOMEM;  } // 操作page結(jié)構(gòu)體：設(shè)置頁(yè)為只讀（通過(guò)page屬性） set_bit(PG_ro, &page_ptr->flags); printk(KERN_INFO"Allocated page: frame number = %lun",page_to_pfn(page_ptr)); // 轉(zhuǎn)換為虛擬地址并寫(xiě)入數(shù)據(jù)  virt_addr = (unsignedlong)page_to_virt(page_ptr); sprintf((char*)virt_addr,"Page frame %lu is read-only",page_to_pfn(page_ptr)); printk(KERN_INFO"Virtual address: 0x%lx, Data: %sn", virt_addr, (char*)virt_addr); return0;}staticvoid__exitalloc_pages_exit(void){ if(page_ptr) {    __free_pages(page_ptr,0); // 對(duì)應(yīng)alloc_pages()的釋放函數(shù)   printk(KERN_INFO"Page freed successfullyn");  }}module_init(alloc_pages_init);module_exit(alloc_pages_exit);

示例3：get_zeroed_page ()分配清零內(nèi)存

#include#include#includeMODULE_LICENSE("GPL");MODULE_DESCRIPTION("get_zeroed_page() Example");staticunsignedlongzero_addr;staticint__initzero_page_init(void){ // 申請(qǐng)1頁(yè)清零內(nèi)存  zero_addr =get_zeroed_page(GFP_KERNEL); if(!zero_addr) {   printk(KERN_ERR"Failed to allocate zeroed pagen");   return-ENOMEM;  } // 驗(yàn)證清零：直接讀取內(nèi)存，確認(rèn)初始值為0 printk(KERN_INFO"Zeroed page address: 0x%lxn", zero_addr); printk(KERN_INFO"Initial value (first byte): %d (should be 0)n",     *(unsignedchar*)zero_addr); // 寫(xiě)入數(shù)據(jù)  *(char*)zero_addr ='A'; printk(KERN_INFO"After writing 'A', value: %cn", *(char*)zero_addr); return0;}staticvoid__exitzero_page_exit(void){ if(zero_addr) {   free_pages(zero_addr,0); // get_zeroed_page()用free_pages()釋放   printk(KERN_INFO"Zeroed page freedn");  }}module_init(zero_page_init);module_exit(zero_page_exit);

五、內(nèi)存申請(qǐng)流程可視化（流程圖）

5.1伙伴系統(tǒng)整體分配流程

5.2 __alloc_pages ()內(nèi)部核心流程

六、關(guān)鍵注意事項(xiàng)（避坑指南）

1.order不能超范圍：必須滿足0 ≤ order < MAX_ORDER（默認(rèn)MAX_ORDER=11），否則分配必失敗；

2.gfp_mask選對(duì)場(chǎng)景：

?中斷上下文、原子操作中，必須用GFP_ATOMIC（不能睡眠）；

?進(jìn)程上下文（如probe、內(nèi)核線程），優(yōu)先用GFP_KERNEL（可睡眠，分配成功率更高）；

1.必須檢查返回值：分配失敗是常見(jiàn)情況（比如內(nèi)存不足），一定要判斷返回值是否為NULL/0，避免空指針崩潰；

2.釋放函數(shù)要對(duì)應(yīng)：

?__get_free_pages()/get_zeroed_page()→free_pages()；

?alloc_pages()→__free_pages()；

?釋放時(shí)的order必須和申請(qǐng)時(shí)一致，否則會(huì)破壞伙伴系統(tǒng)鏈表；

1.避免內(nèi)存泄漏：內(nèi)核內(nèi)存沒(méi)有"自動(dòng)回收"，分配的內(nèi)存必須在模塊卸載、函數(shù)退出時(shí)釋放，否則會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏；

2.不要越界訪問(wèn)：分配的內(nèi)存大小是PAGE_SIZE << order，超出范圍會(huì)觸發(fā)內(nèi)核Oops。

七、總結(jié)

伙伴系統(tǒng)的內(nèi)存申請(qǐng)函數(shù)看似多，但核心邏輯很統(tǒng)一：都是向伙伴系統(tǒng)請(qǐng)求"2^order個(gè)連續(xù)物理頁(yè)"，區(qū)別僅在于返回形式（page指針/虛擬地址）和附加功能（清零、參數(shù)檢查）。

用一張表總結(jié)函數(shù)選擇邏輯：

需求場(chǎng)景	推薦函數(shù)	返回值類型
直接用虛擬地址、無(wú)需操作page	__get_free_pages()	內(nèi)核虛擬地址
申請(qǐng)1頁(yè)、需要清零	get_zeroed_page()	內(nèi)核虛擬地址
需要操作page結(jié)構(gòu)體（設(shè)置屬性等）	alloc_pages()	struct page指針
申請(qǐng)1頁(yè)、需要操作page結(jié)構(gòu)體	alloc_page()	struct page指針

掌握這些函數(shù)，你就能應(yīng)對(duì)絕大多數(shù)內(nèi)核態(tài)內(nèi)存申請(qǐng)場(chǎng)景。記住核心：選對(duì)函數(shù)、傳對(duì)參數(shù)、檢查返回值、及時(shí)釋放，就能安全、高效地使用內(nèi)核內(nèi)存。

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