kernel-memory-management

カーネルメモリ管理

目的

Linux カーネルのメモリ割り当てについて、物理ページアロケーター（バディ）、SLUB kmalloc キャッシュ、vmalloc 仮想マッピング、ゾーン（DMA／Normal）、ドライバーにおける安全な割り当てパターンをエージェントに案内し、skills/kernel/kernel-internals を拡張します。

使用する場面

• kmalloc、vmalloc、get_free_pages のどれを選ぶか判断するとき
• カーネル OOM やスラブ破損をデバッグするとき
• DMA バッファの割り当て要件を確認するとき
• /proc/meminfo とスラブ統計を理解するとき

ワークフロー

1. アロケーターの判断ツリー

Need physically contiguous memory for DMA?
├── Yes → dma_alloc_coherent() or CMA pool
└── No
    ├── Size ≤ ~128K (arch-dependent) → kmalloc / kzalloc
    ├── Large or non-contiguous OK → vmalloc / vzalloc
    └── Whole pages → alloc_pages() / __get_free_pages()

2. kmalloc と SLUB

SLUB は汎用 kmalloc のデフォルトのバックエンドです（カーネルメモリ割り当てガイドを参照）。従来の SLAB アロケーターは Linux 6.12 で削除されました。

void *buf = kmalloc(size, GFP_KERNEL);
if (!buf)
    return -ENOMEM;
/* ... */
kfree(buf);

GFP フラグ	コンテキスト
GFP_KERNEL	プロセスコンテキスト。スリープする場合があります
GFP_ATOMIC	IRQ 中／スピンロック保持中。小さなプールを使用します
GFP_DMA	DMA ゾーン（従来型の 32 ビットデバイス）

/proc/slabinfo と cat /sys/kernel/slab/*/object_size を確認します。

3. vmalloc

void *v = vmalloc(size);  /* virtually contiguous, physically scattered */
vfree(v);

物理ページの連続性が不要な大きなバッファに使用します。dma_map_* を使用せずに DMA 用として使わないでください。

4. バディページアロケーター

struct page *page = alloc_pages(GFP_KERNEL, order);
void *addr = page_address(page);
__free_pages(page, order);

order n は 2^n ページを割り当てます。ゾーンの選択：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL、ZONE_MOVABLE（include/linux/mmzone.h を参照）。

5. NUMA の基本

NUMA システムでは、kmalloc はローカルノードを優先します。HPC パスでは alloc_pages_node() または mbind ポリシーを使用してください。詳しくは skills/allocators/numa-programming を参照してください。

6. デバッグ

cat /proc/meminfo
cat /proc/slabinfo
dmesg | grep -i oom

カーネル設定：解放後使用の検出には CONFIG_SLUB_DEBUG と CONFIG_KASAN を使用します。

7. エージェントの使用方法

/kernel-memory-management Choose allocator for 2 MiB driver ring buffer in process context

よくある問題

症状	原因	対処法
大きな割り当てで kmalloc が失敗する	kmalloc の上限を超えている	vmalloc またはページを使用する
DMA バッファが不適切	ハードウェア DMA に vmalloc を使用した	dma_alloc_coherent
OOM キラーが発動する	キャッシュが無制限に増加している	プールを制限し、シュリンカーを使用する
スラブ破損	解放後使用	KASAN を使用し、kfree の対応関係を監査する
IRQ 中に GFP_KERNEL を使用している	アトミックコンテキストでスリープするアロケーターを使用している	GFP_ATOMIC

関連スキル

• skills/kernel/kernel-internals — ページキャッシュ、OOM キラー
• skills/kernel/device-drivers — dma_alloc_coherent
• skills/allocators/custom-allocators — ユーザー空間アロケーターの設計
• skills/allocators/numa-programming — NUMA 対応の割り当て
• skills/runtimes/sanitizers — KASAN との重複