第4章 vmalloc区

4、vmalloc区：动态映射非连续内存

说到vmalloc，我得先坦白一件事——我刚开始学内核内存管理时，总觉得它和kmalloc差不多。都是分配内存嘛，能有多大区别？直到我在项目中遇到一个需要分配大块内存的场景，kmalloc直接给我返回NULL，我才意识到事情没那么简单。

说白了，vmalloc和kmalloc虽然名字长得像，但背后的机制完全不同。今天我们就来好好掰扯掰扯。

4.1 vmalloc：让不连续的内存看起来连续

先问一个问题：物理内存是连续的吗？

答案是：不一定。系统运行久了，物理内存会变得碎片化。你想分配一个8MB的连续物理块，但系统中可能没有那么大片的连续区域了。这时候，kmalloc就无能为力了。

vmalloc的解决思路很巧妙——它不要求物理内存连续，而是通过页表映射，把分散的物理页框映射到一段连续的虚拟地址空间。用户看到的是连续的虚拟地址，背后却是东一块西一块的物理页。

核心区别一句话总结：

kmalloc：物理连续 + 虚拟连续（直接映射区）
vmalloc：物理不连续 + 虚拟连续（vmalloc区）

我画了一张图，帮你理解vmalloc区的布局：

4.2 vmalloc vs kmalloc：到底该用谁？

这个问题我经常被问到。其实选择标准很简单，我列个表你就明白了：

特性	kmalloc	vmalloc
物理连续性	连续	不连续
分配速度	快（slab分配器）	慢（需要建立页表）
最大分配大小	受限于连续物理内存（通常 < 4MB）	较大（受限于虚拟地址空间）
适用场景	小对象、频繁分配、DMA缓冲区	大块内存、模块加载、视频缓冲区
是否睡眠	可能（GFP_KERNEL）	会睡眠（不能用于中断上下文）

我的经验之谈：

我个人习惯是：能用kmalloc就不用vmalloc。为什么？因为vmalloc分配时需要建立页表，开销大。而且vmalloc分配的内存，CPU访问时会有TLB miss，性能不如直接映射区。

但如果你需要分配超过一个page的大小，而且不要求物理连续，那就放心用vmalloc吧。

4.3 vmalloc的使用示例

来看看实际代码怎么写。嗯，这里要注意，vmalloc返回的是虚拟地址，你需要自己管理大小：

#include <linux/vmalloc.h>

void *buf;
size_t size = 8 * 1024 * 1024;  // 8MB

// 分配内存
buf = vmalloc(size);
if (!buf) {
    pr_err("vmalloc failed\n");
    return -ENOMEM;
}

// 使用内存
memset(buf, 0, size);
// ... 你的业务逻辑 ...

// 释放内存
vfree(buf);

我曾经在项目中犯过一个低级错误——用vmalloc分配了内存，但忘记调用vfree，结果导致vmalloc区慢慢耗尽。系统跑了三天后，突然所有模块加载都失败了。排查了半天才发现是内存泄漏。

避坑指南：

我曾经在中断处理函数里调用了vmalloc，结果系统直接panic。记住：vmalloc会睡眠（因为它可能触发页表操作和内存回收），所以绝对不能在中断上下文、spinlock持有期间使用。

4.4 ioremap：把设备内存映射到内核空间

讲完vmalloc，我们得聊聊ioremap。这两个东西虽然都涉及虚拟地址映射，但目的完全不同。

ioremap是用来干什么的？说白了，就是让CPU能访问外设的寄存器或内存。外设的物理地址（比如0xF0000000处的MMIO区域）对CPU来说是不可直接访问的，必须通过ioremap建立页表映射。

来看一个典型的ioremap使用场景：

#include <linux/io.h>

// 假设设备寄存器在物理地址 0xF0000000，大小 4KB
#define DEVICE_BASE  0xF0000000
#define DEVICE_SIZE  0x1000

void __iomem *regs;

// 映射设备内存
regs = ioremap(DEVICE_BASE, DEVICE_SIZE);
if (!regs) {
    pr_err("ioremap failed\n");
    return -ENOMEM;
}

// 读写寄存器（使用专门的访问函数）
u32 val = ioread32(regs + 0x10);   // 读寄存器
iowrite32(0x1, regs + 0x00);       // 写寄存器

// 解除映射
iounmap(regs);

关键点：

ioremap返回的是__iomem标记的指针，不要直接解引用
必须使用ioread32/iowrite32等访问函数
ioremap和vmalloc不同，它不分配物理内存，只是建立映射

4.5 vmalloc与ioremap的本质区别

我经常看到有人把vmalloc和ioremap搞混。其实它们的区别很明显：

vmalloc：分配物理内存 + 建立映射。你得到的是实实在在的内存。
ioremap：只建立映射，不分配内存。你映射的是设备已有的物理地址。

举个例子你就明白了。vmalloc就像你去租房子——房东（内核）给你找了一间房（物理页），然后告诉你地址（虚拟地址）。ioremap呢，就像你拿着地图去找一个已经存在的建筑（设备寄存器），地图（页表）告诉你该怎么走。

4.6 实际项目中的选择策略

最后，我分享一下我在实际项目中的选择策略：

小对象（< 1 page）：用kmalloc，快就一个字
大对象（> 1 page），不要求物理连续：用vmalloc
需要DMA：必须用kmalloc或__get_free_pages，因为DMA需要物理连续
访问设备寄存器：用ioremap，别想别的
中断上下文：只能用kmalloc(GFP_ATOMIC)，别碰vmalloc

一个小技巧：

如果你不确定该用哪个，可以先试试kmalloc。如果返回NULL，再fallback到vmalloc。我在项目中就经常这么干，既保证了性能，又保证了可靠性。

好了，关于vmalloc区的内容就讲到这里。记住一句话：vmalloc解决的是物理碎片化的问题，ioremap解决的是设备访问的问题。两者都是虚拟地址映射，但出发点完全不同。

公众号:蓝海资料掘金营，微信deep3321