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linux內(nèi)存管理之非連續(xù)物理地址分配(vmalloc)

運(yùn)維 系統(tǒng)運(yùn)維
有些時(shí)候,每次請(qǐng)求內(nèi)存時(shí),系統(tǒng)都分配物理地址連續(xù)的內(nèi)存塊是不合適的,可以利用小塊內(nèi)存“連接”成大塊可使用的內(nèi)存.

前面我們已經(jīng)分析了linux如何利用伙伴系統(tǒng),slab分配器分配內(nèi)存,用這些方法得到的內(nèi)存在物理地址上都是連續(xù)的,然而,有些時(shí)候,每次請(qǐng)求內(nèi)存時(shí),系統(tǒng)都分配物理地址連續(xù)的內(nèi)存塊是不合適的,可以利用小塊內(nèi)存“連接”成大塊可使用的內(nèi)存.這在操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也被稱為 “內(nèi)存拼接”,顯然,內(nèi)存拼接在需要較大內(nèi)存,而內(nèi)存訪問相比之下不是很頻繁的情況下是比較有效的.

在linux內(nèi)核中用來管理內(nèi)存拼接的接口是vmalloc/vfree.用vmalloc分配得到的內(nèi)存在線性地址是平滑的,但是物理地址上是非連續(xù)的.

一:準(zhǔn)備知識(shí):

Linux用vm_struct結(jié)構(gòu)來表示vmalloc使用的線性地址.vmalloc所使用的線性地址區(qū)間為: VMALLOC_START VMALLOC_END.借用<>中的一副插圖,如下示:

從上圖中我們可以看到每一個(gè)vmalloc_area用4KB隔開,這樣做是為了很容易就能捕捉到越界訪問,因?yàn)橹虚g是一個(gè) “空洞”.

二:相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

下面來分析一下vmalloc area的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):

struct vm_struct {

void  *addr; //虛擬地址

unsigned long  size; //vm的大小

unsigned long  flags;//vm的標(biāo)志

struct page**pages;  //vm所映射的page

unsigned int   nr_pages; //page個(gè)數(shù)

unsigned long  phys_addr;//對(duì)應(yīng)的起始物理地址

struct vm_struct   *next;//下一個(gè)vm.用來形成鏈表

}

全局變量vmlist用來管理vm構(gòu)成的鏈表

全局變量vmlist用于訪問vmlist所使用的信號(hào)量

對(duì)于vm_struct有兩個(gè)常用的操作: get_vm_area/remove_vm_area

get_vm_area:用來分配一個(gè)合適大小的vm結(jié)構(gòu),分配成功之后,將其鏈入到vmlist中,代碼在 mm/vmalloc.c中.如下示:

//size為vm的大小

struct vm_struct *get_vm_area(unsigned long size, unsigned long flags)

{

//在VMALLOC_START與VMALLOC_END找到一段合適的空間

return __get_vm_area(size, flags, VMALLOC_START, VMALLOC_END);

}

//參數(shù)說明:

//start:起始地址 end:結(jié)束地址 size 空間大小

struct vm_struct *__get_vm_area(unsigned long size, unsigned long flags,

unsigned long start, unsigned long end)

{

struct vm_struct **p, *tmp, *area;

unsigned long align = 1;

unsigned long addr;

//如果指定了VM_IOREMAP.則調(diào)整對(duì)齊因子

if (flags & VM_IOREMAP) {

int bit = fls(size);

if (bit > IOREMAP_MAX_ORDER)

bit = IOREMAP_MAX_ORDER;

else if (bit < PAGE_SHIFT)

bit = PAGE_SHIFT;

align = 1ul << bit;

}

//將起始地址按照對(duì)齊因子對(duì)齊

addr = ALIGN(start, align);

#p#

//分配一個(gè)vm_struct結(jié)構(gòu)空間

area = kmalloc(sizeof(*area), GFP_KERNEL);

if (unlikely(!area))

return NULL;

//PAGE_SIZE:在i32中為4KB,即上面所說的間隔空洞

size += PAGE_SIZE;

if (unlikely(!size)) {

kfree (area);

return NULL;

}

write_lock(&vmlist_lock);

//遍歷vmlist:找到合適大小的末使用空間

for (p = &vmlist; (tmp = *p) != NULL ;p = &tmp->next) {

//若起始地址落在某一個(gè)vm區(qū)間,則調(diào)整起始地址為vm區(qū)間的末尾

if ((unsigned long)tmp->addr < addr) {

if((unsigned long)tmp->addr + tmp->size >= addr)

addr = ALIGN(tmp->size +

(unsigned long)tmp->addr, align);

continue;

}

//size+addr < addr ?除非size == 0

if ((size + addr) < addr)

goto out;

//中間的空隙可以容納下size大小的vm.說明已經(jīng)找到了這樣的一個(gè)vm

if (size + addr <= (unsigned long)tmp->addr)

goto found;

//調(diào)整起始地址為vm的結(jié)束地址

addr = ALIGN(tmp->size + (unsigned long)tmp->addr, align);

//如果超出了范圍

if (addr > end - size)

goto out;

}

found:

//找到了合適大小的空間,將area->addr賦值為addr,然后鏈入vmlist中

area->next = *p;

*p = area;

area->flags = flags;

area->addr = (void *)addr;

area->size = size;

area->pages = NULL;

area->nr_pages = 0;

area->phys_addr = 0;

write_unlock(&vmlist_lock);

return area;

out:

//沒有找到合適大小的空間,出錯(cuò)返回

write_unlock(&vmlist_lock);

kfree(area);

if (printk_ratelimit())

printk(KERN_WARNING "allocation failed: out of vmalloc space - use vmalloc= to increase size.\n");

return NULL;

}

這段代碼不是很復(fù)雜,在此不詳細(xì)分析了.

remove_vm_area用來將相應(yīng)的vm從vmlist中斷開,使其表示的空間可以被利用

//addr:對(duì)應(yīng)vm的超始地址

struct vm_struct *remove_vm_area(void *addr)

{

struct vm_struct **p, *tmp;

write_lock(&vmlist_lock);

//遍歷vmlist.找到超始地址為addr的vm

for (p = &vmlist ; (tmp = *p) != NULL ;p = &tmp->next) {

if (tmp->addr == addr)

goto found;

}

write_unlock(&vmlist_lock);

return NULL;

found:

//斷開tmp所對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系

unmap_vm_area(tmp);

//找到了這個(gè)vm,將其從vmlist上斷開

*p = tmp->next;

write_unlock(&vmlist_lock);

return tmp;

}

unmap_vm_area用來斷開vm所在線性地址所對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系.它的代碼如下:

void unmap_vm_area(struct vm_struct *area)

{

//vm所對(duì)應(yīng)的起始線性地址

unsigned long address = (unsigned long) area->addr;

//vm所對(duì)應(yīng)的結(jié)束線性地址

unsigned long end = (address + area->size);

pgd_t *dir;

//起始地址所在的內(nèi)核頁(yè)目錄項(xiàng)

dir = pgd_offset_k(address);

flush_cache_vunmap(address, end);

do {

//斷開地址所對(duì)應(yīng)的pmd映射

unmap_area_pmd(dir, address, end - address);

#p#

//運(yùn)行到這里的時(shí)候,已經(jīng)斷開了一個(gè)頁(yè)目錄所表示的線性地址,而每個(gè)頁(yè)目錄表示的線性地址//大小為PGDIR_SIZE

address = (address + PGDIR_SIZE) & PGDIR_MASK;

dir++;

} while (address && (address < end));

//當(dāng)?shù)竭_(dá)末尾時(shí)結(jié)束循環(huán)

flush_tlb_kernel_range((unsigned long) area->addr, end);

}

//斷開線性地址區(qū)間所在的pmd的映射

static void unmap_area_pmd(pgd_t *dir, unsigned long address,

unsigned long size)

{

unsigned long end;

pmd_t *pmd;

if (pgd_none(*dir))

return;

if (pgd_bad(*dir)) {

pgd_ERROR(*dir);

pgd_clear(dir);

return;

}

pmd = pmd_offset(dir, address);

address &= ~PGDIR_MASK;

end = address + size;

if (end > PGDIR_SIZE)

end = PGDIR_SIZE;

do {

//斷開線性地址所在的pte的映射關(guān)系

unmap_area_pte(pmd, address, end - address);

address = (address + PMD_SIZE) & PMD_MASK;

pmd++;

} while (address < end);

}

static void unmap_area_pte(pmd_t *pmd, unsigned long address,

unsigned long size)

{

unsigned long end;

pte_t *pte;

if (pmd_none(*pmd))

return;

if (pmd_bad(*pmd)) {

pmd_ERROR(*pmd);

pmd_clear(pmd);

return;

}

pte = pte_offset_kernel(pmd, address);

address &= ~PMD_MASK;

end = address + size;

if (end > PMD_SIZE)

end = PMD_SIZE;

do {

pte_t page;

//清除pte的對(duì)應(yīng)映射關(guān)系

page = ptep_get_and_clear(pte);

address += PAGE_SIZE;

pte++;

if (pte_none(page))

continue;

if (pte_present(page))

continue;

printk(KERN_CRIT "Whee.. Swapped out page in kernel page table\n");

} while (address < end);

}

經(jīng)過這幾個(gè)過程之后,實(shí)際上,它只是找到線性地址所對(duì)應(yīng)的pte,然后斷開pte的映射.值得注意的是:為了效率起見,這里只是斷開了pte的映射,即只是將pte置為none,表示pte末映射內(nèi)存.并末斷開pmd和pgd的映射
三:vmalloc的實(shí)現(xiàn):

void *vmalloc(unsigned long size)

{

return __vmalloc(size, GFP_KERNEL | __GFP_HIGHMEM, PAGE_KERNEL);

}

實(shí)際上調(diào)用__vmalloc:

void *__vmalloc(unsigned long size, int gfp_mask, pgprot_t prot)

{

struct vm_struct *area;

struct page **pages;

unsigned int nr_pages, array_size, i;

//使請(qǐng)求的大小與頁(yè)框?qū)R

size = PAGE_ALIGN(size);

//有效性檢查

if (!size || (size >> PAGE_SHIFT) > num_physpages)

return NULL;

#p#

//取得一個(gè)有效的VM,這個(gè)函數(shù)我們?cè)谇懊嬉呀?jīng)詳細(xì)的分析過了

area = get_vm_area(size, VM_ALLOC);

if (!area)

return NULL;

//所要映射的頁(yè)面總數(shù)

nr_pages = size >> PAGE_SHIFT;

//頁(yè)面描述符所占的空間

array_size = (nr_pages * sizeof(struct page *));

area->nr_pages = nr_pages;

area->pages = pages = kmalloc(array_size, (gfp_mask & ~__GFP_HIGHMEM));

//如果空間分配失敗

if (!area->pages) {

remove_vm_area(area->addr);

kfree(area);

return NULL;

}

memset(area->pages, 0, array_size);

//為每一個(gè)頁(yè)面分配空間

for (i = 0; i < area->nr_pages; i++) {

area->pages[i] = alloc_page(gfp_mask);

if (unlikely(!area->pages[i])) {

/* Successfully allocated i pages, free them in __vunmap() */

area->nr_pages = i;

goto fail;

}

}

//為所分配的頁(yè)面建立映射關(guān)系

if (map_vm_area(area, prot, &pages))

goto fail;

return area->addr;

fail:

vfree(area->addr);

return NULL;

}

map_vm_area為所分配的內(nèi)存建立映射關(guān)系,它的程序流程與unmap_vm_area差不多,都是從pgd找到pte,如果同樣的映射關(guān)系不存在,則新建之.(如:pgd對(duì)應(yīng)的pmd不存在,則新建pmd項(xiàng),使pgd指向建好的pmd.同理,如果pmd所映射的pte項(xiàng)不存在,則新建pte,然后建立映射),然后將pte映射到相應(yīng)的頁(yè)表.代碼如下:

int map_vm_area(struct vm_struct *area, pgprot_t prot, struct page ***pages)

{

unsigned long address = (unsigned long) area->addr;

unsigned long end = address + (area->size-PAGE_SIZE);

pgd_t *dir;

int err = 0;

//vm 起始地址所在的頁(yè)目錄

dir = pgd_offset_k(address);

spin_lock(&init_mm.page_table_lock);

do {

pmd_t *pmd = pmd_alloc(&init_mm, dir, address);

if (!pmd) {

err = -ENOMEM;

break;

}

//輪到pmd了 ^_^

if (map_area_pmd(pmd, address, end - address, prot, pages)) {

err = -ENOMEM;

break;

}

address = (address + PGDIR_SIZE) & PGDIR_MASK;

dir++;

} while (address && (address < end));

spin_unlock(&init_mm.page_table_lock);

flush_cache_vmap((unsigned long) area->addr, end);

return err;

}

static int map_area_pmd(pmd_t *pmd, unsigned long address,

unsigned long size, pgprot_t prot,

struct page ***pages)

{

unsigned long base, end;

base = address & PGDIR_MASK;

address &= ~PGDIR_MASK;

end = address + size;

if (end > PGDIR_SIZE)

end = PGDIR_SIZE;

do {

pte_t * pte = pte_alloc_kernel(&init_mm, pmd, base + address);

if (!pte)

return -ENOMEM;

//輪到pte了 ^_^

if (map_area_pte(pte, address, end - address, prot, pages))

return -ENOMEM;

address = (address + PMD_SIZE) & PMD_MASK;

pmd++;

} while (address < end);

return 0;

}

//為頁(yè)表頁(yè)建立映射關(guān)系

static int map_area_pte(pte_t *pte, unsigned long address,

unsigned long size, pgprot_t prot,

struct page ***pages)

{

unsigned long end;

address &= ~PMD_MASK;

end = address + size;

if (end > PMD_SIZE)

end = PMD_SIZE;

do {

struct page *page = **pages;

WARN_ON(!pte_none(*pte));

if (!page)

return -ENOMEM;

//具體的映射在這里了 ^_^

set_pte(pte, mk_pte(page, prot));

address += PAGE_SIZE;

pte++;

(*pages)++;

} while (address < end);

return 0;

}

只要理解了斷開映射的過程,這段代碼是很好理解的.

總而言之:linux在建立映射的時(shí)候,從pgd 到pte相應(yīng)的建立映射關(guān)系,最后將pte映射到分配得到的物理內(nèi)存.而在斷開映射的時(shí)候,linux內(nèi)核從pgd找到pte,然后將pte置為none,表示pte末建立映射關(guān)系.

四:vfree的實(shí)現(xiàn):

代碼如下:

void vfree(void *addr)

{

BUG_ON(in_interrupt());

__vunmap(addr, 1);

}

跟蹤至__vunmap:

void __vunmap(void *addr, int deallocate_pages)

{

struct vm_struct *area;

//參數(shù)有效性檢查

if (!addr)

return;

//判斷addr是否是按頁(yè)框?qū)R的

if ((PAGE_SIZE-1) & (unsigned long)addr) {

printk(KERN_ERR "Trying to vfree() bad address (%p)\n", addr);

WARN_ON(1);

return;

}

//remove_vm_area:這個(gè)函數(shù)我們?cè)谥耙呀?jīng)分析過了 ^_^

area = remove_vm_area(addr);

if (unlikely(!area)) {

//沒有找到起始地址為addr的vm.則無效,退出

printk(KERN_ERR "Trying to vfree() nonexistent vm area (%p)\n",

addr);

WARN_ON(1);

return;

}

if (deallocate_pages) {

int i;

for (i = 0; i < area->nr_pages; i++) {

if (unlikely(!area->pages[i]))

BUG();

//釋放請(qǐng)求獲得的頁(yè)面

__free_page(area->pages[i]);

}

//釋放分配的page 描述符

kfree(area->pages);

}

//釋放內(nèi)核的vm 描述符

kfree(area);

return;

}

五:總結(jié)

經(jīng)過上面的分析,我們可以看到,vmalloc分配內(nèi)存的過程是十分低效的,不僅要從伙伴系統(tǒng)中取內(nèi)存而且要建立映射關(guān)系,顯然,用vmalloc分配較小的內(nèi)存是不合算的。此外。有個(gè)問題值得思考一下:為什么用__get_free_page不需要建立映射關(guān)系,而vmalloc就需要呢?

其實(shí),不管使用何種方式。線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換最終都要經(jīng)過硬件的頁(yè)式管理去完成。所不同的是__get_free_page返回的線性地址是屬于(PAGE_OFFSET,HIGH_MEMORY)之間的,這段線性地址在內(nèi)核初始化的時(shí)候就完成了映射。而vmalloc使用的線性地址是屬于(VMALLOC_START VMALLOC_END)之間的,也就是說屬于一個(gè)臨時(shí)映射區(qū),所以必須為其建立映射關(guān)系。

【編輯推薦】

  1. 嵌入式Linux內(nèi)存使用與性能優(yōu)化
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責(zé)任編輯:趙寧寧 來源: chinaitlab
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