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3.5.7 内核中不连续页的分配

3.5.8 内核映射

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本节讲解vmalloc, vmap，kmap原理。

3.5.7 内核中不连续页的分配

kmalloc函数：分配物理地址和虚拟地址都连续的内存。

        kmalloc基于slab，而slab基于伙伴系统。

void *vmalloc(unsigned long size);

        介绍：

                分配一大片连续虚拟内存，但其物理地址不一定连续。

        使用场景：

                需要分配很大一块内存。如模块加载时。

        优点：

                更有效利用内存，减少内存分配失败。

        缺点：

                但TLB表项增多，TLB cache miss增加。

        应用进程使用的内存：通常不要求物理连续。

vmalloc分配的虚拟内存如下图：

vmalloc区域之间插入1页安全隙，其没有对应物理页表项。

如果程序无意访问到安全隙时，触发段错误机制。阻止潜在的安全威胁或系统崩溃。

vmalloc函数会生成一个sturct vm_struct实例。用于描述vmalloc分配的区域。

struct vm_struct {

        struct vm_struct         *next;            //连接所有实例，表头为struct vm_struct *vmlist

        void                         *addr;              //起始的虚拟地址。

        unsigned long         size;                 //该区域大小。

        unsigned long         flags;

        struct page              **pages;           //指向page数组，映射源自哪些物理页。

        unsigned int            nr_pages;         //包含有多少个物理页。

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

        const void              *caller;

};

flags：

        VA_ALLOC：表示该区域由vmalloc函数建立。

        VA_MAP：表示该区域由vmap函数建立。

        VM_IOREMAP：表示该区域由ioremap函数建立。

vmap，ioremap，vmalloc三个函数：

        1. 都用于建立物理地址非连续的映射。

        2. 都会生成一个struct vm_struct实例，用flag成员区别。

全局变量struct vm_struct *vmlist链表头，链接所有vm_struct。

分配内存

vmalloc实现：

get_vm_area_node：

        创建vm_struct实例，并分配虚拟内存。

__vmalloc_area_node：

        分配对应物理页。

        初始化vm_struct的pages，nr_pages成员。

        调用map_vm_area：将分散物理页映射到连续虚拟空间。

vmalloc的实现中使用了__GFP_HIGHMEM：

        表示尽可能从ZONE_HIGHMEM分配页。

当分配页后，应从对应节点伙伴系统中移除。

其他映射方法

下面函数也可创建虚拟连续的映射：

        vmalloc_32：

                分配的物理内存总是可以用32位指针寻址。

        vmap函数：

                将一个page数组映射到连续虚拟地址空间。

                该函数不分配页，需提前分配好。

                用VM_MAP标识。

        ioremap：

                体系架构自己实现。将硬件IO空间映射到内核空间。

                用VM_IOREMAP标识，驱动中多使用。

释放内存

vfree：

        释放vmalloc，vmalloc_32分配的内存。

        将页返回伙伴系统。

vunmap：

        释放vmap，ioremap创建的映射。

        不会将页返回伙伴系统。

上述两个函数最终都调用__vunmap

3.5.8 内核映射

除vmalloc，其他将ZONE_HIGHMEM域到内核空间的方式：

永久内核映射（pkmap）：

        pkmap：Permanent Kernel MAPping。

        作用：为指定高端内存页创建永久映射到内核空间，直到手动解除映射。

        内核空间范围：

                PKMAP_BASE - FIXADDR_START区域

创建一个永久内核映射：

        void *kmap(struct page *page)

        {

                if (!PageHighMem(page))

                        return page_address(page); 没有高端内存时，简单的将页转换为虚拟地址。

        

                return kmap_high(page);

        }

解除永久映射：

        void kunmap(struct page *page)

                内容：解除映射，删除页表，刷出TLB。

过多kmap映射可能导致内存碎片和性能问题。

避免频繁使用kmap。

kmap和vmap区别：

        kmap：单页的映射。

                短时间的映射。

        vmap：多个页映射。（将一组不连续物理页映射到连续虚拟地址）。

                长时间的映射。

kmap：若pkmap数组没有空闲位置，会睡眠，所以不能在中断中使用。

此时应使用kmap_atomic与kunmap_atomic。

在64位体系架构没有高端内存，此时kmap，kunmap，kmap_atomic，kunmap_atomic函数名一样，但实现不一致。