kernel-memory-management

内核内存管理

目的

指导 Agent 进行 Linux 内核内存分配：物理页分配器（伙伴系统）、SLUB kmalloc 缓存、vmalloc 虚拟映射、内存区域（DMA/Normal），以及驱动中的安全分配模式——扩展 skills/kernel/kernel-internals。

适用场景

• 选择 kmalloc、vmalloc 还是 get_free_pages
• 调试内核 OOM 或 slab 损坏
• 了解 DMA 缓冲区分配要求
• 理解 /proc/meminfo 和 slab 统计信息

工作流

1. 分配器决策树

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 和 SLUB

SLUB 是默认的通用 kmalloc 后端（参见内核内存分配指南）；旧版 SLAB 分配器已在 Linux 6.12 中移除。

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

GFP 标志	上下文
GFP_KERNEL	进程上下文，可以休眠
GFP_ATOMIC	IRQ / 持有自旋锁时——使用较小的内存池
GFP_DMA	DMA 内存区域（旧版 32 位设备）

检查 /proc/slabinfo 和 cat /sys/kernel/slab/*/object_size。

3. vmalloc

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

用于不需要物理页连续的大型缓冲区。未使用 dma_map_* 时，不要将其用于 DMA。

4. 伙伴页分配器

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

order n 会分配 2^n 个页面。内存区域选择：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL、ZONE_MOVABLE（参见 include/linux/mmzone.h）。

5. NUMA 基础知识

在 NUMA 系统上，kmalloc 优先使用本地节点；对于 HPC 路径，使用 alloc_pages_node() 或 mbind 策略——参见 skills/allocators/numa-programming。

6. 调试

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

内核配置：使用 CONFIG_SLUB_DEBUG、CONFIG_KASAN 检查释放后使用问题。

7. Agent 使用方法

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

常见问题

症状	原因	修复方法
大块 kmalloc 失败	超出 kmalloc 限制	使用 vmalloc 或页面
DMA 缓冲区不正确	将 vmalloc 用于硬件 DMA	使用 dma_alloc_coherent
OOM killer 触发	缓存无界增长	限制内存池；使用 shrinker
Slab 损坏	释放后使用	使用 KASAN；检查 kfree 配对情况
在 IRQ 中使用 GFP_KERNEL	原子上下文中使用了会休眠的分配器	使用 GFP_ATOMIC

相关技能

• skills/kernel/kernel-internals — 页缓存、OOM killer
• skills/kernel/device-drivers — dma_alloc_coherent
• skills/allocators/custom-allocators — 用户空间分配器设计
• skills/allocators/numa-programming — NUMA 感知分配
• skills/runtimes/sanitizers — KASAN 相关内容