3.6. scull 的内存使用
3.6. scull 的内存使用
在介绍读写操作前, 我们最好看看如何以及为什么 scull 进行内存分配. "如何"是需要全面理解代码, "为什么"演示了驱动编写者需要做的选择, 尽管 scull 明确地不是典型设备.
本节只处理 scull 中的内存分配策略, 不展示给你编写真正驱动需要的硬件管理技能. 这些技能在第 9 章和第 10 章介绍. 因此, 你可跳过本章, 如果你不感兴趣于理解面向内存的 scull 驱动的内部工作.
scull 使用的内存区, 也称为一个设备, 长度可变. 你写的越多, 它增长越多; 通过使用一个短文件覆盖设备来进行修整.
scull 驱动引入 2 个核心函数来管理 Linux 内核中的内存. 这些函数, 定义在 <linux/slab.h>, 是:
void *kmalloc(size_t size, int flags);
void kfree(void *ptr);
对 kmalloc 的调用试图分配 size 字节的内存; 返回值是指向那个内存的指针或者如果分配失败为NULL. flags 参数用来描述内存应当如何分配; 我们在第 8 章详细查看这些标志. 对于现在, 我们一直使用 GFP_KERNEL. 分配的内存应当用 kfree 来释放. 你应当从不传递任何不是从 kmalloc 获得的东西给 kfree. 但是, 传递一个 NULL 指针给 kfree 是合法的.
kmalloc 不是最有效的分配大内存区的方法(见第 8 章), 所以挑选给 scull 的实现不是一个特别巧妙的. 一个巧妙的源码实现可能更难阅读, 而本节的目标是展示读和写, 不是内存管理. 这是为什么代码只是使用 kmalloc 和 kfree 而不依靠整页的分配, 尽管这个方法会更有效.
在 flip 一边, 我们不想限制"设备"区的大小, 由于理论上的和实践上的理由. 理论上, 给在被管理的数据项施加武断的限制总是个坏想法. 实践上, scull 可用来暂时地吃光你系统中的内存, 以便运行在低内存条件下的测试. 运行这样的测试可能会帮助你理解系统的内部. 你可以使用命令 cp /dev/zero /dev/scull0 来用 scull 吃掉所有的真实 RAM, 并且你可以使用 dd 工具来选择贝多少数据给 scull 设备.
在 scull, 每个设备是一个指针链表, 每个都指向一个 scull_dev 结构. 每个这样的结构, 缺省地, 指向最多 4 兆字节, 通过一个中间指针数组. 发行代码使用一个 1000 个指针的数组指向每个 4000 字节的区域. 我们称每个内存区域为一个量子, 数组(或者它的长度) 为一个量子集. 一个 scull 设备和它的内存区如图一个 scull 设备的布局所示.
图 3.1. 一个 scull 设备的布局
选定的数字是这样, 在 scull 中写单个一个字节消耗 8000 或 12,000 KB 内存: 4000 是量子, 4000 或者 8000 是量子集(根据指针在目标平台上是用 32位还是 64位表示). 相反, 如果你写入大量数据, 链表的开销不是太坏. 每 4 MB 数据只有一个链表元素, 设备的最大尺寸受限于计算机的内存大小.
为量子和量子集选择合适的值是一个策略问题, 而不是机制, 并且优化的值依赖于设备如何使用. 因此, scull 驱动不应当强制给量子和量子集使用任何特别的值. 在 scull 中, 用户可以掌管改变这些值, 有几个途径:编译时间通过改变 scull.h 中的宏 SCULL_QUANTUM 和 SCULL_QSET, 在模块加载时设定整数值 scull_quantum 和 scull_qset, 或者使用 ioctl 在运行时改变当前值和缺省值.
使用宏定义和一个整数值来进行编译时和加载时配置, 是对于如何选择主编号的回忆. 我们在驱动中任何与策略相关或专断的值上运用这个技术.
余下的唯一问题是如果选择缺省值. 在这个特殊情况下, 问题是找到最好的平衡, 由填充了一半的量子和量子集导致内存浪费, 如果量子和量子集小的情况下分配释放和指针连接引起开销. 另外, kmalloc 的内部设计应当考虑进去. (现在我们不追求这点, 不过; kmalloc 的内部在第 8 章探索.) 缺省值的选择来自假设测试时可能有大量数据写进 scull, 尽管设备的正常使用最可能只传送几 KB 数据.
我们已经见过内部代表我们设备的 scull_dev 结构. 结构的 quantum 和 qset 分别代表设备的量子和量子集大小. 实际数据, 但是, 是由一个不同的结构跟踪, 我们称为 struct scull_qset:
struct scull_qset {
void **data;
struct scull_qset *next;
};
下一个代码片段展示了实际中 struct scull_dev 和 struct scull_qset 是如何被用来持有数据的. sucll_trim 函数负责释放整个数据区, 由 scull_open 在文件为写而打开时调用. 它简单地遍历列表并且释放它发现的任何量子和量子集.
int scull_trim(struct scull_dev *dev)
{
struct scull_qset *next, *dptr;
int qset = dev->qset; /* "dev" is not-null */
int i;
for (dptr = dev->data; dptr; dptr = next)
{ /* all the list items */
if (dptr->data) {
for (i = 0; i < qset; i++)
kfree(dptr->data[i]);
kfree(dptr->data);
dptr->data = NULL;
}
next = dptr->next;
kfree(dptr);
}
dev->size = 0;
dev->quantum = scull_quantum;
dev->qset = scull_qset;
dev->data = NULL;
return 0;
}
scull_trim 也用在模块清理函数中, 来归还 scull 使用的内存给系统.