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【Linux 内核 内存管理】优化内存屏障 ② ( 内存屏障 | 编译器屏障 | 处理器内存屏障 | 内存映射 IO 写屏障 )

文章目录 一、内存屏障 二、编译器屏障 三、处理器内存屏障 一、内存屏障 ---- 内存屏障 , 又称为 " 屏障指令 " , 用于保证 " 编译器 “ 或 ” CPU “ 访问内存时 , 保证 按照顺序执行..., 即 ” 内存屏障 之前 “ 的指令 与 ” 内存屏障 之后 " 的指令 不会犹豫 编译器 和 CPU 优化导致 顺序混乱 ; " 指令 " 优化主要分 2 种 : ① 编译器优化 : 为了 提高程序执行性能...指令乱序执行 , 后面的指令先于前面的指令执行 , 导致 寄存器中的值冲突 ; Linux 内核支持的 3 种内核屏障 : ① 编译器屏障 ② 处理器内存屏障 ③ 内存映射 I/O 写屏障 , 全称...编译器会在编译代码时 , 在 不影响 程序逻辑的前提下 , 对程序指令进行重排 , 主要操作是 调整程序指令的执行顺序 ; 优化后的结果 , 可能 不符合软件开发想要开发的需求 ; 三、处理器内存屏障...” 乱序执行 " 技术 , 可以在 一个时钟周期 中 并行执行多条指令 ; 但是 CPU 执行优化会导致 指令乱序执行 , 后面的指令先于前面的指令执行 , 导致 寄存器中的值冲突 ; CPU 执行优化总结

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Linux内核理解 Memory barrier（内存屏障）

本文例子均在 Linux（g++）下验证通过，CPU 为 X86-64 处理器架构。所有罗列的 Linux 内核代码也均在（或只在）X86-64 下有效。...腾讯T6-9首发“Linux内核源码嵌入式开发进阶笔记”，差距不止一点点哦Memory barrier 简介程序在运行时内存实际的访问顺序和程序代码编写的访问顺序不一定一致，这就是内存乱序访问。...避免编译时内存乱序访问的办法就是使用编译器 barrier（又叫优化 barrier）。Linux 内核提供函数 barrier() 用于让编译器保证其之前的内存访问先于其之后的完成。...在 Linux 内核中，提供了一个宏 ACCESS_ONCE 来避免编译器对于连续的 ACCESS_ONCE 实例进行指令重排。...在 Linux 内核中，除了前面说到的编译器 barrier — barrier() 和 ACCESS_ONCE()，还有 CPU Memory barrier：通用 barrier，保证读写操作有序的

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【Linux 内核 内存管理】优化内存屏障 ④ ( 处理器内存屏障 | 八种处理器内存屏障 | 通用内存屏障 | 写内存屏障 | 读内存屏障 | 数据依赖屏障 | 强制性内存屏障 |SMP内存屏障 )

文章目录 一、处理器内存屏障 二、Linux 内核处理器内存屏障 一、处理器内存屏障 ---- " 处理器内存屏障 “ 针对 ” CPU " 之间的内存访问乱序 和 CPU 访问外设乱序 问题 ; 为了...提高 " 流水线 " 性能 , 新式处理器可以采用 " 超标量 体系结构 “ 和 ” 乱序执行 " 技术 , 可以在 一个时钟周期 中 并行执行多条指令 ; 但是 CPU 执行优化会导致 指令乱序执行..., 后面的指令先于前面的指令执行 , 导致 寄存器中的值冲突 ; CPU 执行优化总结 : 顺序取指令 , 乱序执行 , 执行结果顺序提交 ; 二、Linux 内核处理器内存屏障 ---- Linux...内核中有 8 种 " 处理器内存屏障 " ; 内存屏障 有 4 种类型 , ① 通用内存屏障 ② 写内存屏障 ③ 读内存屏障 ④ 数据依赖屏障 每种类型的 内存屏障 又分为 ① 强制性内存屏障...② SMP 内存屏障 两种类型 ; 因此将上面 8 种 " 处理器内存屏障 " 列成表格如下 : 内存屏障类型 强制性内存屏障 SMP 内存屏障 ① 通用内存屏障 mb() smp_mb() ②

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Linux内核27-优化和内存屏障

比如说，对于Linux内核的barrier()宏，展开后就是asm volatile("":::"memory")，就是一个优化屏障。...ARM系统中，使用ldrex和strex汇编指令实现内存屏障。 3. Linux内核使用的内存屏障原语 Linux内核中使用的内存屏障原语如下，如表5-6所示。...smp_xxx()之类的内存屏障只对发生在多核系统里的竞态条件有效，单核系统中，什么也没有做。其它的内存屏障对多核系统和单核系统都有效。...表5-6 Linux内存屏障 macro 描述 mb() MP和UP的内存屏障 rmb() MP和UP的读内存屏障 wmb() MP和UP的写内存屏障 smp_mb() MP内存屏障 smp_rmb()...值得注意的是多核处理器中，所有的原子操作指令都会前缀lock，所以都可以充当内存屏障。 4. 总结 内存屏障主要解决的还是硬件数据总线上对于指令的读取可能会发生乱序问题。

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【Linux 内核 内存管理】优化内存屏障 ① ( barrier 优化屏障 | 编译器优化 | CPU 执行优化 | 优化屏障源码 barrier 宏 )

: 该优化是为了 提高 " 流水线 " 性能 , 但是 CPU 执行优化会导致 指令乱序执行 , 后面的指令先于前面的指令执行 , 导致 寄存器中的值冲突 ; " 优化屏障 " 的作用是 避免优化操作...对指令顺序 进行重排 , 保障 代码编译时 , 在 " 优化屏障 之前 “ 的指令 , 不会在 ” 优化屏障 之后 " 执行 ; 二、优化屏障源码 ---- 在 Linux 中 , " 优化屏障 "...是通过 barrier() 宏定义 实现的 , gcc 编译器 的 " 优化屏障 " 定义在 linux-5.6.18\include\linux\compiler-gcc.h 源码中 ; /* Optimization...-5.6.18\include\linux\compiler-gcc.h#20 不同的编译器 的 " 优化屏障 " barrier() 宏定义 位置不同 , 如 clang 编译器 的 优化屏障 定义在...linux-5.6.18\include\linux\compiler-clang.h 源码中 , 源码路径 : linux-5.6.18\include\linux\compiler-clang.h

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解密Linux内核神器：内存屏障的秘密功效与应用方法

内核代码里定义了这三种内存屏障，如x86平台：arch/x86/include/asm/barrier.h #define mb() asm volatile("mfence":::"memory...避免次行为的办法就是使用编译器屏障（又叫优化屏障）。 Linux内核提供了函数barrier()，用于让编译器保证其之前的内存访问先于其之后的内存访问完成。 （这个强制保证顺序的需求在哪里？...实际上，Linux内核中，宏ACCESS_ONCE能避免编译器对于连续的ACCESS_ONCE实例进行指令重排，其就是通过volatile实现的： #define ACCESS_ONCE(x) (*(volatile...在Linux内核中，除了前面说到的编译器屏障—barrier()和ACESS_ONCE()，还有CPU内存屏障： 通用屏障，保证读写操作有序，包括mb()和smp_mb(); 写操作屏障，仅保证写操作有序...本代码源于内核FIFO的一个实现，内容如下（略去了非关键代码）： 代码来源：linux-2.6.32.63\kernel\kfifo.c unsigned int __kfifo_put(struct

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【Linux 内核 内存管理】优化内存屏障 ③ ( 编译器屏障 | 禁止 开启内核抢占 与 方法保护临界区 | preempt_disable 禁止内核抢占源码 | 开启内核抢占源码 )

开启内核抢占 与 方法保护临界区 ---- 如果要使用 " 内存屏障 " , 如 : 禁止 内核 抢占 " 方法保护临界区 " : 首先 , 声明 preempt_disable(); 宏 , 表示下面的代码就是...preempt_disable 与 开启内核抢占 preempt_enable 之间的 " 方法保护临界区 " 代码中 , 添加 " 编译器优化屏障 " ; 声明 " 方法保护临界区 " 代码示例 :...preempt_disable(); // 方法保护临界区 preempt_enable(); 二、编译器优化屏障 ---- gcc 编译器优化屏障 参考 【Linux 内核 内存管理】优化内存屏障...编译器 的 " 优化屏障 " 定义在 linux-5.6.18\include\linux\compiler-gcc.h 源码中 ; /* Optimization barrier */ /* The...四、preempt_enable 开启内核抢占 源码 ---- 在 Linux 内核源码 linux-5.6.18\include\linux\preempt.h 中 , 定义了 preempt_enable

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Linux内核中的各种锁：信号量互斥锁读写锁原子锁自旋锁内存屏障等

这个过程中，不仅有用户态到内核态的切换开销，还有两次线程上下文切换的开销。 线程的上下文切换主要是线程栈、寄存器、线程局部变量等。...内存屏障： 内存屏障则是用于控制内存访问顺序，确保指令的执行顺序符合预期。 因为代码往往不是看我们写的这种顺序被执行的，它有两个层面的乱序： 1）编译器层面的。...mfence":::"memory") void f() { x = 1; __asm__ __volatile__("mfence" ::: "memory"); r1 = y; } // GNU中的内存屏障...在实现CAS操作时，需要使用内存屏障来保证操作的顺序和一致性。例如，在Java中，使用Atomic类的compareAndSet方法实现CAS操作时，会自动插入内存屏障来保证操作的正确性。...对于应用层的编程而言，C++11引入了内存模型，它确保了多线程程序中的同步和一致性。

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【Linux 内核 内存管理】Linux 内核内存布局 ③ ( Linux 内核 动态分配内存 系统接口函数 | 统计输出 vmalloc 分配的内存 )

文章目录 一、Linux 内核 动态分配内存 系统接口函数 二、统计输出 vmalloc 分配的内存 一、Linux 内核 动态分配内存 系统接口函数 ---- Linux 内核 " 动态分配内存 "...是通过 " 系统接口 " 实现的 , 下面介绍几个重要的 接口函数 ; ① 以 " 页 " 为单位分配内存 : alloc_pages , __get_free_page ; ② 以 " 字节 " 为单位分配..." 虚拟地址连续的内存块 " : vmalloc ; ③ 以 " 字节 " 为单位分配 " 物理地址连续的内存块 " : kmalloc ; 注意 该 " 物理地址连续的内存块 " 是以 Slab 为中心的...; 二、统计输出 vmalloc 分配的内存 ---- 执行 grep vmalloc /proc/vmallocinfo 命令 , 可以统计输出 通过 vmalloc 函数分配的 " 虚拟地址连续的内存块

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Linux内核高端内存

Linux内核地址映射模型 x86 CPU采用了段页式地址映射模型。进程代码中的地址为逻辑地址，经过段页式地址映射后，才真正访问物理内存。 段页式机制如下图。 ?...Linux内核地址空间划分 通常32位Linux内核地址空间划分0~3G为用户空间，3~4G为内核空间。注意这里是32位内核地址空间划分，64位内核地址空间划分是不同的。 ?...Linux内核高端内存的由来 当内核模块代码或线程访问内存时，代码中的内存地址都为逻辑地址，而对应到真正的物理内存地址，需要地址一对一的映射，如逻辑地址0xc0000003对应的物理地址为0x3，0xc0000004...Linux内核高端内存的理解 前面我们解释了高端内存的由来。...2、64位内核中有高端内存吗？ 目前现实中，64位Linux内核不存在高端内存，因为64位内核可以支持超过512GB内存。若机器安装的物理内存超过内核地址空间范围，就会存在高端内存。

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浅析内存屏障以及在java中的应用

2. java 内存模型中的happen before原则 JSR-1337制定了Java内存模型(Java Memory Model, JMM)中规定的hb原则大致有以下几点： 程序次序法则：线程中的每个动作...有的处理器的重排序规则较严，无需内存屏障也能很好的工作，Java编译器会在这种情况下不放置内存屏障。...在大多数处理器的实现中，这个屏障是个万能屏障，兼具其它三种内存屏障的功能 参考https://www.cnblogs.com/chenyangyao/p/5269622.html可以得知： Oracle...4. volatile语义中的内存屏障 在每个volatile写操作前插入StoreStore屏障，在写操作后插入StoreLoad屏障； 在每个volatile读操作前插入LoadLoad屏障，在读操作后插入...5. final语义中的内存屏障 新建对象过程中，构造体中对final域的初始化写入(StoreStore屏障)和这个对象赋值给其他引用变量，这两个操作不能重排序； 初次读包含final域的对象引用和读取这个

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Intel DPDK的内存屏障介绍

然而，内存屏障指令可以与无效队列交互，因此当给定的CPU执行内存屏障时，它会标记当前在其无效队列中的所有条目，并强制任何后续加载等待，直到所有标记的条目都已完成。被应用到CPU的缓存中。...读写屏障分离 在上一节中，内存屏障用于标记存储缓冲区和无效队列中的条目。但在我们的代码片段中，foo() 没有理由对无效队列执行任何操作，而 bar() 同样没有理由对存储队列执行任何操作。...因此，许多 CPU 架构提供较弱的内存屏障指令，仅执行这两者中的一个或另一个。粗略地说，“读内存屏障”仅标记无效队列，“写内存屏障”仅标记存储缓冲区，而成熟的内存屏障则两者兼而有之。...这样做的效果是，读内存屏障仅命令执行它的 CPU 上的加载，因此读内存屏障之前的所有加载看起来都在读内存屏障之后的任何加载之前完成。...类似地，写内存屏障仅对执行它的CPU上的存储进行排序，并且再次使得写内存屏障之前的所有存储看起来都在写内存屏障之后的任何存储之前完成。

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Windows内核中的内存管理

内存管理的要点 内核内存是在虚拟地址空间的高2GB位置，且由所有进程所共享，进程进行切换时改变的只是进程的用户分区的内存 驱动程序就像一个特殊的DLL，这个DLL被加载到内核的地址空间中，DriverEntry...，只在debug版本中生效，用于判断当前的中断请求级别，当级别高于DISPATCH_LEVEL(包含这个级别)时会产生一个断言 内核中的堆申请函数 PVOID ExAllocatePool(...，这个时候即使内存仍有剩余，但是我们也申请不了内存，一般在操作系统空闲的时候会进行内存整理，将空洞内存进行合并，如果驱动需要频繁的从内存中申请释放相同大小的内存块，DDK提供了Lookaside内存容器...结构中的内存不够时，他会自动向操作系统申请更多的内存，如果lookaside内部有大量未使用的内存时，他会自动释放一部分，总之它是一个智能的自动调整内存大小的一个容器。...在内核中，对于内存的读写要相当的谨慎，稍不注意就可能产生一个新漏洞或者造成系统的蓝屏崩溃，有时在读写内存前需要判断该内存是否合法可供读写，DDK提供了两个函数来判断内存是否可读可写 VOID ProbeForRead

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聊聊Linux内核的内存回收上篇

概述 内存回收是把已经使用过的的物理页帧重新放回到内核中的buddy系统(buddy系统用于申请空闲物理页帧的子系统)管理中，解决内存紧张的问题；内存回收的页帧包括未修改的文件页帧、修改且完成同步的文件页帧...内核对所有用户态进程消耗的RAW内存总量不做严格的约束，当系统负载相对较低的时候，内存大部分被磁盘高速缓存使用，随着系统负载增大，系统进程使用的内存越来越多，磁盘的高速缓存占用的内存就会被缩小，内存页帧的回收必须在消耗所有空闲页帧之前进行...内核中同时存在slab allocation,它用于内核数据结构的申请。slab分配器在频繁申请和释放的情况下效率比较高 基于LRU页帧链表 内存页帧是有映射的，映射到一个或者多个进程的虚拟空间。...内核一般用内存页帧的引用次数来表示页帧的活跃程度。一个内存区zone将空闲页帧和已经在使用的页帧分别用buddy系统和 zone的LRU链表管理。...LRU_UNEVICTABLE, NR_LRU_LISTS }; 页帧回收 页帧回收会按照几个原则来进行内存页帧的回收，第一是回收高速磁盘缓存的页帧；第二回收睡眠时间较长的进程中的页帧；第三是回收共享页帧的引用全部清除

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Linux内核编程--内存映射和共享内存

文件的内存映射示意图： 对于用户进程和内核进程： 将用户进程的一段内存区域映射到内核进程，映射成功后，用户进程对这段内存区域的修改直接反映到内核空间，同样，内核进程对这段内存区域的修改也直接反映到用户空间...没有内存映射的I/O操作示意图： 磁盘->内核空间->用户空间 有内存映射的I/O操作示意图：少了一个copy操作 内存映射的优点： 减少了拷贝次数，节省I/O操作的开支 用户空间和内核空间可以直接高效交互...offset); start：用户进程中要映射的某段内存区域的起始地址，通常为NULL（由内核来指定） length：要映射的内存区域的大小 prot：期望的内存保护标志 flags：指定映射对象的类型...fd：要映射的文件描述符 offset：要映射的用户空间的内存区域在内核空间中已经分配好了的内存区域中的偏移 --prot参数取值： PROT_READ：映射区可读 PROT_WRITE：映射区可写...一般用信号量来同步共享内存的访问。 共享内存区在系统存储中的位置： 为什么要用共享内存： 对于涉及到内核操作的，内核和进程之间，经历了四次复制操作，开销很大。

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Linux 内核 VS 内存碎片 （下）

从 Linux 内核 VS 内存碎片 （上） 我们可以看到根据迁移类型进行分组只是延缓了内存碎片，而并不是从根本解决，所以随着时间的推移，当内存碎片过多，无法满足连续物理内存需求时，将会引起性能问题。...内存规整 在内存规整引入之前，内核还使用过 lumpy reclaim 来进行反碎片化，但在我们当前最常用的 3.10 版本内核上已经不存在了，所以不做介绍，感兴趣的朋友请从文章开头整理的列表中自取，我们来看内存规整...对于 3.10 版本内核，内存规整的时机如下： 在分配高阶内存失败后 kswapd 线程平衡 zone； 直接内存回收来满足高阶内存需求，包括 THP 缺页异常处理路径； khugepaged 内核线程尝试...，主要关注内存分配路径： [up-38369217a56524682afabccb202a52c5187.png] 基本流程：当申请分配页的时候，如果无法从伙伴系统的 freelist 中获得页面，则进入慢速内存分配路径...在描述内存规整的时候捎带提到了直接内存回收的原因是，直接内存回收不仅会出现在内存严重不足的情况，在真正的场景中也会内存碎片原因导致触发内存直接回收，二者在一段时间内可能是混合出现的。

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Linux 内核 VS 内存碎片 （上）

（外部）内存碎片是一个历史悠久的 Linux 内核编程问题，随着系统的运行，页面被分配给各种任务，随着时间的推移内存会逐步碎片化，最终正常运行时间较长的繁忙系统可能只有很少的物理页面是连续的。...由于 Linux 内核支持虚拟内存管理，物理内存碎片通常不是问题，因为在页表的帮助下，物理上分散的内存在虚拟地址空间仍然是连续的 （除非使用大页），但对于需要从内核线性映射区分配连续物理内存的需求来说就会变的非常困难...如果内核编程不再依赖线性地址空间的高阶物理内存分配，那么内存碎片问题就从根本上解决了，但对于 Linux kernel 这样庞大的工程来说，这样的修改显然是不可能的，所以从 Linux 2.x 版本至今...反碎片简史 在开始正题前，先为大家汇总了部分 Linux 内核开发史上为改善高阶内存分配而做出的所有努力。这里的每一篇文章都非常值得细细的读一读，期望这个表格能为对反碎片细节感兴趣的读者带来便利。...Linux 在经典算法的基础上做了一些个扩展： 分区的伙伴分配器； Per-CPU pageset； 根据迁移类型进行分组； 我们以前介绍过 Linux 内核使用 node, zone, page 来描述物理内存

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详解Linux内核内存管理架构

内存管理子系统可能是linux内核中最为复杂的一个子系统，其支持的功能需求众多，如页面映射、页面分配、页面回收、页面交换、冷热页面、紧急页面、页面碎片管理、页面缓存、页面统计等，而且对性能也有很高的要求...linux的内存映射管理是通过页表来实现的，但是页表是放在内存中的，如果每次地址转换过程都需要访问一次内存，其效率是十分低下的。这里CPU通过TLB硬件单元来加速地址转换。...直接内存动态分配地址空间：因为访问效率等原因，内核对内存采用简单的线性映射，但是因为32位CPU的寻址能力（4G大小）和内核地址空间起始的设置（3G开始），会导致内核的地址空间资源不足，当内存大于1GB...kmap主要用于fs、net等对高端内存访问有较高性能要求的模块中。 固定映射地址空间：持久映射的问题是可能会休眠，在中断上下文、自旋锁临界区等不能阻塞的场景中不可用。...kmap_atomic的使用场景与kmap较为相似，主要用于mm、fs、net等对高端内存访问有较高性能要求而且不能休眠的模块中。

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【Linux 内核 内存管理】内存管理架构 ① ( 内存管理架构组成 | 用户空间 | 内核空间 | MMU 硬件 | Linux 内核架构层次 | Linux 系统调用接口 )

文章目录 一、内存管理架构组成 ( 用户空间 | 内核空间 | MMU 硬件 ) 二、Linux 内核架构层次 三、Linux 系统调用接口 一、内存管理架构组成 ( 用户空间 | 内核空间 | MMU..." ; ② 内核空间 : Linux 内核启动后 , 一直 驻留在内存 中 , 应用程序 不能 读写 内核空间数据 , 不能直接调用 内核源码 中的函数 ; 只能通过 " 系统调用 " 间接调用 内核函数...; ③ 硬件 : 硬件主要是指 处理器 中的 " 内存管理单元 “ , 该 内存管理单元 主要作用是 将 ” 虚拟内存地址 " 转为 " 物理内存地址 " ; " 内存管理单元 " , 英文名称是 "...组成 ; 层次架构如下 : Linux 内核 需要 " 管理硬件 " , 如 : CPU 处理器 , 内存 , I/O 设备 , 网络设备 等 ; Linux 内核 还需要 向上层的 " 应用程序...⑤ 网络管理 : 内核 调用 网络接口 , 实现 网络管理 ; " 设备管理 " 对用户是透明的 , 用户不直到 Linux 内核是如何管理设备的 , 系统调用接口没有关于 " 设备管理 " 的调用接口

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Kasan - Linux 内核的内存检测工具

Kasan 集成在 Linux 内核中，随 Linux 内核代码一起发布，并由内核社区维护和发展。...Andrey Ryabinin 借鉴了 AddressSanitizer 的思想，并在 Linux 内核中实现了 Kernel Address Sanitizer。...了解 Linux 内存管理的读者知道，内存中的每个物理页在内存中都会有一个 struct page 这样的结构体来表示，即每 4KB 的页需要 40B 的结构体，大约 1% 的内存用来表示内存本身。...然后重新编译并安装内核即可，除了通用的编译和安装命令，在 Fedora 这种发行版本中，还需要更新 grub。 清单 4. Linux 内核编译、安装命令 ? 清单 5. Grub 配置命令 ?...幸运的是 Linux 内核的源码中已经包含了针对 Kasan 的测试代码，其位置在 linux/lib/test_kasan.c。

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