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3.5.7 內核中不連續頁的分配

3.5.8 內核映射

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本節講解vmalloc, vmap，kmap原理。

3.5.7 內核中不連續頁的分配

kmalloc函數：分配物理地址和虛擬地址都連續的內存。

????????kmalloc基于slab，而slab基于伙伴系統。

void *vmalloc(unsigned long size);

? ? ? ? 介紹：

????????????????分配一大片連續虛擬內存，但其物理地址不一定連續。

????????使用場景：

????????????????需要分配很大一塊內存。如模塊加載時。

????????優點：

????????????????更有效利用內存，減少內存分配失敗。

????????缺點：

????????????????但TLB表項增多，TLB cache miss增加。

????????應用進程使用的內存：通常不要求物理連續。

vmalloc分配的虛擬內存如下圖：

vmalloc區域之間插入1頁安全隙，其沒有對應物理頁表項。

如果程序無意訪問到安全隙時，觸發段錯誤機制。阻止潛在的安全威脅或系統崩潰。

vmalloc函數會生成一個sturct vm_struct實例。用于描述vmalloc分配的區域。

struct vm_struct {

????????struct vm_struct ????????*next;? ? ? ? ? ? //連接所有實例，表頭為struct vm_struct *vmlist

????????void ????????????????????????*addr;? ? ? ? ? ? ? //起始的虛擬地址。

????????unsigned long ????????size;? ? ? ? ? ? ? ? ?//該區域大小。

????????unsigned long ????????flags;

????????struct page? ? ? ? ? ? ? **pages;? ? ? ? ? ?//指向page數組，映射源自哪些物理頁。

????????unsigned int? ? ? ? ? ? nr_pages; ????????//包含有多少個物理頁。

????????phys_addr_t? ? ? ? ? ?phys_addr; ????????//ioremap使用，其物理地址。

????????const void? ? ? ? ? ? ? *caller;

};

flags：

????????VA_ALLOC：表示該區域由vmalloc函數建立。

????????VA_MAP：表示該區域由vmap函數建立。

????????VM_IOREMAP：表示該區域由ioremap函數建立。

vmap，ioremap，vmalloc三個函數：

? ? ? ? 1. 都用于建立物理地址非連續的映射。

? ? ? ? 2. 都會生成一個struct vm_struct實例，用flag成員區別。

全局變量struct vm_struct *vmlist鏈表頭，鏈接所有vm_struct。

分配內存

vmalloc實現：

get_vm_area_node：

????????創建vm_struct實例，并分配虛擬內存。

__vmalloc_area_node：

????????分配對應物理頁。

????????初始化vm_struct的pages，nr_pages成員。

????????調用map_vm_area：將分散物理頁映射到連續虛擬空間。

vmalloc的實現中使用了__GFP_HIGHMEM：

????????表示盡可能從ZONE_HIGHMEM分配頁。

當分配頁后，應從對應節點伙伴系統中移除。

其他映射方法

下面函數也可創建虛擬連續的映射：

????????vmalloc_32：

????????????????分配的物理內存總是可以用32位指針尋址。

????????vmap函數：

????????????????將一個page數組映射到連續虛擬地址空間。

????????????????該函數不分配頁，需提前分配好。

????????????????用VM_MAP標識。

????????ioremap：

????????????????體系架構自己實現。將硬件IO空間映射到內核空間。

????????????????用VM_IOREMAP標識，驅動中多使用。

釋放內存

vfree：

????????釋放vmalloc，vmalloc_32分配的內存。

????????將頁返回伙伴系統。

vunmap：

????????釋放vmap，ioremap創建的映射。

????????不會將頁返回伙伴系統。

上述兩個函數最終都調用__vunmap

3.5.8 內核映射

除vmalloc，其他將ZONE_HIGHMEM域到內核空間的方式：

永久內核映射（pkmap）：

????????pkmap：Permanent Kernel MAPping。

????????作用：為指定高端內存頁創建永久映射到內核空間，直到手動解除映射。

????????內核空間范圍：

????????????????PKMAP_BASE - FIXADDR_START區域

創建一個永久內核映射：

????????void *kmap(struct page *page)

????????{

????????????????if (!PageHighMem(page))

????????????????????????return page_address(page); 沒有高端內存時，簡單的將頁轉換為虛擬地址。

????????

????????????????return kmap_high(page);

????????}

解除永久映射：

????????void kunmap(struct page *page)

????????????????內容：解除映射，刪除頁表，刷出TLB。

過多kmap映射可能導致內存碎片和性能問題。

避免頻繁使用kmap。

kmap和vmap區別：

????????kmap：單頁的映射。

????????????????短時間的映射。

????????vmap：多個頁映射。（將一組不連續物理頁映射到連續虛擬地址）。

????????????????長時間的映射。

kmap：若pkmap數組沒有空閑位置，會睡眠，所以不能在中斷中使用。

此時應使用kmap_atomic與kunmap_atomic。

在64位體系架構沒有高端內存，此時kmap，kunmap，kmap_atomic，kunmap_atomic函數名一樣，但實現不一致。