Linux内核之kfree实现及用法实例(四十九)

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🌻1.前言

本篇目的：Linux内核之kfree实现及用法实例

🌻2.Linux内核之kfree介绍

• 在Linux内核中，kfree是一个用于释放内存的函数，它用于释放通过kmalloc、kzalloc、vmalloc等函数分配的内存。这些分配函数在内核空间中动态地分配内存，而kfree则用于在不再需要这些内存时将其释放回系统。
• 当一个内核函数需要一些临时内存来存储数据时，它会调用kmalloc或kzalloc（kzalloc是kmalloc的一个变体，它会在分配内存后将其清零）。这些函数返回一个指向分配的内存的指针。当这些内存不再需要时，为了防止内存泄漏，必须使用kfree来释放这些内存。
• kfree函数的原型定义在内核源代码的include/linux/slab.h文件中，如下所示：

void kfree(const void *objp);

• 这里，objp是指向要释放的内存块的指针。kfree函数会检查这个指针，确定内存块的大小和类型，然后将其返回到适当的内存池中，以便可以重新用于未来的分配请求。
• kfree的工作原理与用户空间中的free函数类似，但它适用于内核空间。在内核中，内存管理比用户空间更为复杂，因为内核需要处理多种不同类型的内存分配，并且必须保证内存的分配和释放是快速和高效的，以避免影响系统的整体性能。
• kfree在执行释放操作时，会执行以下几个步骤：

1. 检查传递给kfree的指针是否为NULL。如果是NULL，则函数直接返回，因为释放NULL指针没有意义。
2. 确定objp指向的内存块的大小和类型。这是通过查看内存块的头部信息来实现的，这些信息在内存块被分配时由kmalloc等函数设置。
3. 将内存块从相应的内存池中释放。这涉及到更新内存池的数据结构，以反映内存块的空闲状态。
4. 如果可能，将释放的内存块合并到相邻的空闲内存块中，以减少内存碎片。
5. 更新内核的内存使用统计信息，以反映释放的内存。

• kfree是Linux内核中非常重要的一个函数，它确保了内核可以有效地管理其内存资源，避免内存泄漏和内存碎片的问题。正确使用kfree和其他内存分配函数对于维护内核的稳定性和性能至关重要。
• 在编写内核代码时，开发人员必须确保对于每一个kmalloc或kzalloc调用，都有一个对应的kfree调用，以释放不再需要的内存。

🌻3.kfree调用流程

🐓3.1 kfree函数实现

void kfree(const void *block)
{
	struct page *sp;

	trace_kfree(_RET_IP_, block);

	if (unlikely(ZERO_OR_NULL_PTR(block)))
		return;
	kmemleak_free(block);

	sp = virt_to_page(block);
	if (PageSlab(sp)) {
		int align = max_t(size_t, ARCH_KMALLOC_MINALIGN, ARCH_SLAB_MINALIGN);
		unsigned int *m = (unsigned int *)(block - align);
		slob_free(m, *m + align);
	} else
		__free_pages(sp, compound_order(sp));
}
EXPORT_SYMBOL(kfree);

• 通过virt_to_page函数将block内核虚拟地址转换为对应的页结构指针，页是管理内存的基本单位，每个物理页帧都有一个对应的struct page结构来描述它。当内核需要操作物理内存时，通常会通过这个结构来进行。
• 通过__free_pages或slob_free函数来释放内存。

🌻4.kfree代码实例

🐓4.1 基本使用

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/slab.h>

static int __init kfree_example_init(void)
{
    void *ptr = kmalloc(1024, GFP_KERNEL); // 分配1KB内存
    if (!ptr) {
        pr_err("kmalloc failed\n");
        return -ENOMEM;
    }

    // 使用ptr指向的内存...

    kfree(ptr); // 释放内存
    return 0;
}

static void __exit kfree_example_exit(void)
{
}

module_init(kfree_example_init);
module_exit(kfree_example_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

🐓4.2 错误处理

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/slab.h>

static int __init kfree_example_init(void)
{
    void *ptr = kzalloc(1024, GFP_KERNEL); // 分配并清零1KB内存
    if (!ptr) {
        pr_err("kzalloc failed\n");
        return -ENOMEM;
    }

    // 使用ptr指向的内存...

    // 假设我们在某个地方遇到了错误，需要释放内存并返回错误
    if (some_error_condition) {
        kfree(ptr);
        return -EFAULT;
    }

    kfree(ptr); // 正常释放内存
    return 0;
}

static void __exit kfree_example_exit(void)
{
}

module_init(kfree_example_init);
module_exit(kfree_example_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

🐓4.3 链表操作

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/list.h>

struct my_data {
    int value;
    struct list_head list;
};

static LIST_HEAD(my_list); // 声明链表头

static int __init kfree_example_init(void)
{
    struct my_data *data;
    struct list_head *pos, *next;

    // 分配并初始化数据结构
    data = kmalloc(sizeof(*data), GFP_KERNEL);
    if (!data) {
        pr_err("kmalloc failed\n");
        return -ENOMEM;
    }
    data->value = 42;
    INIT_LIST_HEAD(&data->list);

    // 将数据添加到链表
    list_add(&data->list, &my_list);

    // 遍历链表并处理数据
    list_for_each_safe(pos, next, &my_list) {
        data = list_entry(pos, struct my_data, list);
        // 使用data...

        // 释放链表中的元素
        list_del(pos);
        kfree(data);
    }

    return 0;
}

static void __exit kfree_example_exit(void)
{
}

module_init(kfree_example_init);
module_exit(kfree_example_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");