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一：概述
linux 内核提供了丰富的内存分配函数、在本文中，我们将介绍在设备驱动程序中分配和使用内存的方法，以及如何优化系统的内存资源。由于内核为驱动程序提供了统一的内存管理接口。所以我们不会去讨论不同架构是如何管理内存的，文本不涉及分段、分页等问题，此外在本文中，我们也不会描述linux内存管理的内部细节，这在驱动开发系列06 - 内存映射和dma已经介绍过了，感兴趣的读者可以前往了解。
二：kmalloc 介绍
kmalloc 是一个功能强大的内存分配函数，由于它与 malloc 相似，因此很容易学习。该函数执行速度很快（除非被阻塞），而且不会清除获取的内存； 分配的区域仍保留其先前的内容。分配的区域在物理内存中也是连续的。在接下来的几节中，我们将详细介绍 kmalloc，这样你就可以将它与后面讨论的内存分配技术进行比较。
kmalloc 的函数原型是：
#include <linux/slab.h>
void *kmalloc(size_t size, int flags);1.参数介绍
kmalloc 的第一个参数是待分配内存的大小，以字节为单位。第二个参数（分配标志）更有意思，因为它可以通过多种方式控制 kmalloc 的行为。
最常用的标志是 gfp_kernel，用于在内核空间分配内存。分配操作内部通过最终调用 __get_free_pages实现的，这是 gfp_ 前缀的来源。使用gfp_kernel分配内存，这也意味着该函数调用其实是在当前进程上执行的系统调用。当在内存不足的情况下调用 kmalloc 时，可以让当前进程休眠，等待由空闲的页面。因此，使用 gfp_kernel 分配内存的函数必须是可重入的，并且不能在原子上下文中调用（不能睡眠）。在当前进程休眠时，内核会采取适当的措施来找到一些空闲内存，方法是将缓存刷新到磁盘或从用户进程中交换内存。
gfp_kernel 并不总是被正确使用；有时 kmalloc 会在进程的上下文之外被调用。例如，这种情况可能发生在中断处理程序、tasklets、内核定时器中。在这种情况下，当前进程不应进入休眠状态，驱动程序应使用 gfp_atomic 标志，而不是gfp_kernel。使用 gfp_atomic 进程不会睡眠。
内核通常会尝试保留一些空闲页面，以实现原子分配(gfp_atomic)。 当使用gfp_atomic 时，kmalloc 甚至可以使用最后一个空闲页面。但如果最后一页不存在，分配就会失败。
gfp_kernel 和 gfp_atomic是设备驱动程序经常使用的，除此之外还有gfp_dma等。所有flag都在 <linux/gfp.h> 中定义。
2.内存区域(memory zones)
总所周知，linux中将内存分为内核空间和用户空间，比如以x86为例，32位系统上可寻址内存地址范围是4g（内核空间占1gb，用户空间占3gb）。 而内核空间(1gb)又进一步分为三个内存区域，它们分别是dma_zone(16m), normal_zone(896m), high_zone(128m)。
一般的内存分配通常都在normal_zone区域内，设置区域标志位将决定内存从哪个区域中分配。我们的想法是，每一个必须了解每个区域的内存范围以及它们的含义。
dma_zone 区域是一个特殊地址范围，外设可在该范围内执行 dma 操作。在大多数正常平台上，这个区域包含整个内存范围。在 x86 平台上，只有内存的前16 mb 属于这个区域，因为传统的 isa 设备只可在 16m 区域内执行 dma，pci 设备则无此限制。
high_zone区域高内存是一种机制，在32位平台上，允许内核能够访问更多的内存（1gb以外的内存）。通常在这些内存在没有建立特殊映射之前，不能被内核直接访问并且很难被使用。如果你的驱动需要使用大量的内存，在high_zone可用的情况下，最好使用high_zone区域。它将在大型系统上工作得更好。
如果为内存分配请求分配一个新页时，内核会建立一个用于搜索内存页的区域列表。如果指定 __gfp_dma，那只会在dma_zone区域搜索可用的页，如果该区域没有可用的内存时，分配会失败。如果没有显示指定区域标志(flag)，那么会在 dma_zone 和 normal_zone 区域中搜索可用的页；如果指定 __gfp_highmem，那么会在dma_zone, normal_zone, high_zone三个区域内搜索。（注意：kmalloc 不能分配high_zone内存）。
在非统一内存访问(numa)的系统上，情况要复杂一些。作为一般性原则，分配器通常去尝试分配处理器的本地内存，尽管有一些方法可以改变这种行为。
内存区域背后的机制在mm/page_alloc.c中实现，而区域的初始化依赖特定于平台，比如 arch在mm/init.c中。
3. size 对齐
内核以页为单位管理系统物理内存，因此，kmalloc与用户空间malloc的实现由很大不同，例如，采用面向堆栈的技术将很快遇到麻烦，因为很难绕过页的边界的限制。因此，内核使用了一个特殊的面向页的分配技术来更好的使用系统内存。
linux通过创建一组固定大小的内存对象池来处理内存分配。处理分配请求的方式是从池子中获取一个足够大的内存对象，并且将整个内存块返回给请求者。这个内存管理策略是相当复杂的，并且对驱动开发者来说，内存管理的实现细节也不是很有趣，通常不需要关心它。
但是驱动开发人员需要记住一件事，尽管内核只分配预定义固定大小的字节数组，如果你请求分配任意大小的内存，你可能会得到比你所请求略微多一点的内存，最多是多两倍。不过，程序员应该记住， kmalloc 可以处理的最小内存分配是 32 或 64 字节，依赖于系统架构所使用的页面大小。
kmalloc 可分配的内存大小也有一个上限，这依赖于系统架构和内核的配置。如果你的代码是想可以完全跨平台移植的，那么不能分配内存大小不能超过128kb，如果你需要比几千个字节还多的内存，显然，还有比kmalloc更适合的方法，这将在后面介绍。
二：后备缓存(lookaside caches)
一个驱动程序经常重复分配许多相同大小的内存对象。假设内核已经维护了一组内存对象池，这些内存对象大
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