Как использовать kzalloc и GFP_DMA для выделения буферов для mmap в модулях ядра Linux?

Содержание

Вопрос или проблема
Ответ или решение
Выделение памяти в ядре
Использование GFP_DMA
Пример использования
Примечания
Заключение

Вопрос или проблема

Как использовать kzalloc и GFP_DMA для выделения буферов для mmap в модулях ядра Linux?

Мы все знаем, что функция, используемая для динамического выделения памяти в пространстве пользователя, это malloc(), которая последовательно используется в различных операционных системах, а соответствующая функция освобождения памяти в пространстве пользователя – free(). Важно: динамически запрашиваемую память необходимо освобождать после использования, иначе это приведет к утечкам памяти. Если утечка памяти происходит в пространстве ядра, это может вызвать сбои системы.
Итак, как запросить память в пространстве ядра? Обычно мы используем такие функции, как kmalloc(), kzalloc(), vmalloc() и т. д. Далее мы представим использование этих функций и их различия.

kmalloc()
Прототип функции:

void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags)；
Память, запрашиваемая с помощью kmalloc(), располагается в области отображения физической памяти и физически непрерывна. У нее есть только фиксированный смещение от реального физического адреса. Из-за существования простой зависимости преобразования существует ограничение на размер запрашиваемой памяти, которое не может превышать 128 КБ.

Распространенные флаги (методы выделения памяти):
GFP_ATOMIC – Процесс выделения памяти является атомарным процессом, который не прерывается высокоприоритетными процессами или прерываниями;
GFP_KERNEL – Обычное выделение памяти;

В общем случае память должна быть физически непрерывной только тогда, когда требуется доступ через DMA, но по соображениям производительности ядро обычно использует kmalloc(), а vmalloc() используется только в случае, когда необходимо получить большой блок памяти. Например, когда модуль динамически загружается в ядро, он загружается в память, выделенную с помощью vmalloc().

Общие характеристики kmalloc(), kzalloc() и vmalloc() заключаются в следующем:

Ответ или решение

Вопрос о том, как использовать функции kzalloc и GFP_DMA для выделения буферов для mmap в модулях ядра Linux, имеет несколько аспектов, которые требуют более детального объяснения. Давайте разберёмся в этом поэтапно.

Выделение памяти в ядре

В отличие от пользовательского пространства, где используются функции вроде malloc и free, в ядре Linux для динамического выделения и освобождения памяти применяются свои функции: kmalloc(), kzalloc() и vmalloc().

kmalloc(size_t size, gfp_t flags): используется для выделения физически непрерывной памяти. Применяется, когда нужна быстрая память с ограничениями по размеру (обычно до 128 КБ).
kzalloc(size_t size, gfp_t flags): аналогична kmalloc, но дополнительно инициализирует выделенную память в нули. Это бывает необходимо для предотвращения случайного использования мусорных данных, что может привести к непредсказуемым ошибкам.
vmalloc(size_t size): используется для выделения больших блоков памяти, которые могут быть физически не непрерывными, но обеспечивают виртуally непрерывный адресный пространственно.

Использование GFP_DMA

Флаг GFP_DMA предназначен для выделения памяти, которая подходит для использования с устройствами DMA (Direct Memory Access). Это может быть критически важным, поскольку некоторые устройства, особенно старые, могут иметь ограничения на адресацию памяти.

Пример использования

Когда вы хотите использовать kzalloc с флагом GFP_DMA для выделения памяти, которую можно будет использовать для операций mmap, вы можете воспользоваться следующим примером:

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/version.h>

#define DEVICE_NAME "my_device"
#define BUFFER_SIZE 4096

static unsigned char *buffer; // указатель на выделенный буфер

// Функция инициализации модуля
static int __init my_init(void) {
    // Выделяем буфер с использованием kzalloc и GFP_DMA
    buffer = kzalloc(BUFFER_SIZE, GFP_DMA);
    if (!buffer) {
        printk(KERN_ERR "Failed to allocate memory\n");
        return -ENOMEM;
    }
    printk(KERN_INFO "Memory allocated successfully\n");
    return 0; // Успех
}

// Функция освобождения ресурсов
static void __exit my_exit(void) {
    if (buffer) {
        kfree(buffer); // Освобождаем память
        printk(KERN_INFO "Memory freed\n");
    }
}

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Автор");
MODULE_DESCRIPTION("Пример модуля, использующего kzalloc и GFP_DMA");

Примечания

Флаги GFP: Выбор флага GFP_DMA в данном примере говорит о том, что память, выделяемая для буфера, будет совместима с устройствами, которые требуют DMA. Это может добавить накладные расходы при выделении, и, как правило, следует избегать необходимости использования этого флага, если это возможно.
Использование mmap: Для поддержки mmap необходимо реализовать функции mmap в файловом интерфейсе модуля. Это позволит пользователям модуля отображать выделенный область памяти в своё адресное пространство.
Управление памятью: Никогда не забывайте освобождать выделенную память с помощью kfree(), чтобы предотвратить утечки памяти. Это критически важно в среде ядра, где утечки могут привести к нестабильности системы.

Заключение

Использование kzalloc и GFP_DMA в ядре Linux для выделения буферов под mmap требует понимания особенностей управления памятью и работы с DMA. Следуя приведённым выше примерам и рекомендациям, вы сможете правильно организовать использование динамической памяти в своих модулях, избегая распространённых ошибок и потенциальных проблем с памятью.