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內(nèi)核分配不連續(xù)頁

摘自：http://blog.csdn.net/kickxxx/article/details/9322701

 當buddy系統(tǒng)還有大量的連續(xù)物理內(nèi)存時，我們可以通過__pages_alloc成功分配很大的一塊連續(xù)物理內(nèi)存空間，隨著系統(tǒng)運行時間加長，buddy系統(tǒng)內(nèi)很難中找到一塊大的連續(xù)物理內(nèi)存空間，因此__pages_alloc可能會失敗，即便通過kswapd進行頁面的回收和交換，buddy仍然不可避免的碎片化


首先我們要明確的是，連續(xù)物理內(nèi)存的分配并不是必要的。對于大部分DMA操作，我們的確需要連續(xù)的物理內(nèi)存；但是對于某些分配內(nèi)存情況：比如，模塊加載，設(shè)備和聲音驅(qū)動程序中，可以在內(nèi)核源碼中關(guān)鍵字vmalloc查找，對vmalloc的使用有個感性認識。


vmalloc把buddy系統(tǒng)內(nèi)的不連續(xù)物理內(nèi)存，映射到內(nèi)核中一段連續(xù)的地址空間內(nèi)，因此對于那些無法直接映射的高端物理內(nèi)存Highmem來說，vmalloc是主要用途之一（另外一個用途是應(yīng)用程序的地址映射，之前我一直搞不清它和vmalloc的關(guān)系。實際二者沒關(guān)系，只是看起來很像）。因此vmalloc理應(yīng)優(yōu)先使用廉價的Highmem內(nèi)存，而把寶貴的低端內(nèi)存，留給其他的內(nèi)核操作。事實上也是如此，vmalloc實現(xiàn)函數(shù)的分配標志，指明了從Highmem分配

  1. void *vmalloc(unsigned long size)  
  2. {  
  3.         return __vmalloc(size, GFP_KERNEL | <strong>__GFP_HIGHMEM</strong>, PAGE_KERNEL);  
  4. }  

對于vmalloc來說是需要預留一定的地址空間的，我個人覺得地址空間也算是一種資源，尤其對于IA32體系結(jié)構(gòu)和大部分32bit體系結(jié)構(gòu)，整個內(nèi)核地址空間只有1G bytes（3:1 split）。而DMA和Normal內(nèi)存zone 又需要占用數(shù)百M的地址空間，參見下面這個經(jīng)典的kernel地址空間劃分圖


Persistent mappings和Fixmaps地址空間都比較小，這里我們忽略它們，這樣只剩下直接地址映射和VMALLOC區(qū)，這個劃分應(yīng)該是平衡兩個需求的結(jié)果

1. 盡量增加DMA和Normal區(qū)大小，也就是直接映射地址空間大小，當前主流平臺的內(nèi)存，基本上都超過了512MB，很多都是標配1GB內(nèi)存，因此注定有一部分內(nèi)存無法進行線性映射。

2. 保留一定數(shù)量的VMALLOC大小，這個值是應(yīng)用平臺特定的，如果應(yīng)用平臺某個驅(qū)動需要用vmalloc分配很大的地址空間，那么最好通過在kernel參數(shù)中指定vmalloc大小的方法，預留較多的vmalloc地址空間。

3. 并不是Highmem沒有或者越少越好，這個是我的個人理解，理由如下：高端內(nèi)存就像個垃圾桶和緩沖區(qū)，防止來自用戶空間或者vmalloc的映射破壞Normal zone和DMA zone的連續(xù)性，使得它們碎片化。當這個垃圾桶較大時，那么污染Normal 和DMA的機會自然就小了。


下面的圖是VMALLOC地址空間內(nèi)部劃分情況



在直接地址映射和VMALLOC區(qū)之間有一個8MiB的隔離帶，隔離帶是做什么的呢？ 隔離帶是用來針對內(nèi)核故障的保護措施，當訪問虛擬地址越界時，則會產(chǎn)生一個page fault異常，也就是說這個內(nèi)核地址空間沒有對應(yīng)相應(yīng)的物理地址，這在內(nèi)核地址空間是不允許的。如果不存在隔離帶，那么越界訪問不知不覺的跨越直接映射和VMALLOC區(qū)，內(nèi)核卻沒注意到這個錯誤。


在VMALLOC內(nèi)部，會劃分為多個vmalloc_area，每個vmalloc_area直間有一個4KB的地址空隙，通過這個小的隔離，可以防止不同映射區(qū)直接的越界訪問。


數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在進入vmalloc代碼實現(xiàn)之前，我們先了解相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

  1. struct vm_struct {  
  2.         /* keep next,addr,size together to speedup lookups */  
  3.         struct vm_struct        *next;  
  4.         void                    *addr;  
  5.         unsigned long           size;  
  6.         unsigned long           flags;  
  7.         struct page             **pages;  
  8.         unsigned int            nr_pages;  
  9.         unsigned long           phys_addr;  
  10. };  

內(nèi)核在管理虛擬內(nèi)存地址空間時，必須通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來跟蹤哪些子區(qū)域被使用，哪些是空閑的。所有的這些數(shù)據(jù)連接到一個鏈表中

@next：所有的vm_struct通過next 組成一個單鏈表，表頭為全局變量vmlist

@addr：定義了這個虛擬地址空間子區(qū)域的起始地址

@size：定義了這個虛擬地址空間子區(qū)域的大小

@flags：存儲了與該內(nèi)存區(qū)關(guān)聯(lián)的標志

@pages是一個指針，指向page指針的數(shù)組，每個數(shù)組成員都表示一個映射到這個地址空間的物理頁面的實例。

@nr_pages：page指針數(shù)據(jù)的長度

@phys_addr：僅當用ioremap映射了由物理地址描述的物理內(nèi)存區(qū)域才有效。


注意 vm_struct和vm_area_struct是完全不同的，雖然二者都是做虛擬地址空間映射的：

1. 前者是內(nèi)核虛擬地址空間映射，而后者則是應(yīng)用進程虛擬地址空間映射。

2. 前者不會產(chǎn)生page fault，而后者一般不會提前分配頁面，只有當訪問的時候，產(chǎn)生page fault來分配頁面。


vmalloc 映射示例

下圖給除了vmalloc映射的一個實例，這個vmalloc區(qū)映射了三個物理內(nèi)存頁面


從VMALLOC_START+100開始，大小為3*PAGE_SIZE的內(nèi)核地址空間，被映射到物理頁面725, 1023和7311


vmalloc 代碼實現(xiàn)

因為大部分體系結(jié)構(gòu)都支持mmu，這里我們只考慮有mmu的情況。實際上沒有mmu支持時，vmalloc就無法實現(xiàn)非連續(xù)物理地址到連續(xù)內(nèi)核地址空間的映射，vmalloc退化為kmalloc實現(xiàn)

  1. 506 void *__vmalloc(unsigned long size, gfp_t gfp_mask, pgprot_t prot)  
  2. 507 {  
  3. 508         return __vmalloc_node(size, gfp_mask, prot, -1);  
  4. 509 }  
  5. 510 EXPORT_SYMBOL(__vmalloc);  
  6.   
  7.   
  8. 512 /**  
  9. 513  *      vmalloc  -  allocate virtually contiguous memory  
  10. 514  *      @size:          allocation size  
  11. 515  *      Allocate enough pages to cover @size from the page level  
  12. 516  *      allocator and map them into contiguous kernel virtual space.  
  13. 517  *  
  14. 518  *      For tight control over page level allocator and protection flags  
  15. 519  *      use __vmalloc() instead.  
  16. 520  */  
  17. 521 void *vmalloc(unsigned long size)  
  18. 522 {  
  19. 523         return __vmalloc(size, GFP_KERNEL | __GFP_HIGHMEM, PAGE_KERNEL);  
  20. 524 }  
  21. 525 EXPORT_SYMBOL(vmalloc);  

非常清楚，vmalloc優(yōu)先使用HIGHMEM內(nèi)存。返回值為內(nèi)核虛擬地址空間地址，這個地址以及@size決定的分配空間，一定在VMALLOC范圍之內(nèi)。

__vmalloc也僅僅是__vmalloc_node包裝函數(shù)


  1. 479 /**  
  2. 480  *      __vmalloc_node  -  allocate virtually contiguous memory  
  3. 481  *      @size:          allocation size  
  4. 482  *      @gfp_mask:      flags for the page level allocator  
  5. 483  *      @prot:          protection mask for the allocated pages  
  6. 484  *      @node:          node to use for allocation or -1  
  7. 485  *  
  8. 486  *      Allocate enough pages to cover @size from the page level  
  9. 487  *      allocator with @gfp_mask flags.  Map them into contiguous  
  10. 488  *      kernel virtual space, using a pagetable protection of @prot.  
  11. 489  */  
  12. 490 static void *__vmalloc_node(unsigned long size, gfp_t gfp_mask, pgprot_t prot,  
  13. 491                             int node)  
  14. 492 {  
  15. 493         struct vm_struct *area;  
  16. 494   
  17. 495         size = PAGE_ALIGN(size);  
  18. 496         if (!size || (size >> PAGE_SHIFT) > num_physpages)  
  19. 497                 return NULL;  
  20. 498   
  21. 499         area = get_vm_area_node(size, VM_ALLOC, node, gfp_mask);  
  22. 500         if (!area)  
  23. 501                 return NULL;  
  24. 502   
  25. 503         return __vmalloc_area_node(area, gfp_mask, prot, node);  
  26. 504 }  

495 把請求的@size按照頁面對齊，說明分配是按照4K對齊的

非常自然的，分配過程分為兩個步驟：1 分配地址空間，2 進行映射

499 從VMALLOC地址空間申請一塊合適的地址空間

503 有了地址空間后，就需要對地址空間進行頁面映射，也就是說分配頁面物理頁面


分配地址空間

  1. 263 struct vm_struct *get_vm_area_node(unsigned long size, unsigned long flags,  
  2. 264                                    int node, gfp_t gfp_mask)  
  3. 265 {  
  4. 266         return __get_vm_area_node(size, flags, VMALLOC_START, VMALLOC_END, node,  
  5. 267                                   gfp_mask);  
  6. 268 }  

在VMALLOC_START和VMALLOC_END指定的范圍內(nèi)查找


  1. 169 static struct vm_struct *__get_vm_area_node(unsigned long size, unsigned long flags,  
  2. 170                                             unsigned long start, unsigned long end,  
  3. 171                                             int node, gfp_t gfp_mask)  
  4. 172 {  
  5. 173         struct vm_struct **p, *tmp, *area;  
  6. 174         unsigned long align = 1;  
  7. 175         unsigned long addr;  
  8. 176   
  9. 177         BUG_ON(in_interrupt());  
  10. 178         if (flags & VM_IOREMAP) {  
  11. 179                 int bit = fls(size);  
  12. 180   
  13. 181                 if (bit > IOREMAP_MAX_ORDER)  
  14. 182                         bit = IOREMAP_MAX_ORDER;  
  15. 183                 else if (bit < PAGE_SHIFT)  
  16. 184                         bit = PAGE_SHIFT;  
  17. 185   
  18. 186                 align = 1ul << bit;  
  19. 187         }  
  20. 188         addr = ALIGN(start, align);  
  21. 189         size = PAGE_ALIGN(size);  
  22. 190         if (unlikely(!size))  
  23. 191                 return NULL;  
  24. 192   
  25. 193         area = kmalloc_node(sizeof(*area), gfp_mask & GFP_RECLAIM_MASK, node);  
  26. 194   
  27. 195         if (unlikely(!area))  
  28. 196                 return NULL;  
  29. 197   
  30. 198         /*  
  31. 199          * We always allocate a guard page.  
  32. 200          */  
  33. 201         size += PAGE_SIZE;  
  34. 202   
  35. 203         write_lock(&vmlist_lock);  
  36. 204         for (p = &vmlist; (tmp = *p) != NULL ;p = &tmp->next) {  
  37. 205                 if ((unsigned long)tmp->addr < addr) {  
  38. 206                         if((unsigned long)tmp->addr + tmp->size >= addr)  
  39. 207                                 addr = ALIGN(tmp->size +  
  40. 208                                              (unsigned long)tmp->addr, align);  
  41. 209                         continue;  
  42. 210                 }  
  43. 211                 if ((size + addr) < addr)  
  44. 212                         goto out;  
  45. 213                 if (size + addr <= (unsigned long)tmp->addr)  
  46. 214                         goto found;  
  47. 215                 addr = ALIGN(tmp->size + (unsigned long)tmp->addr, align);  
  48. 216                 if (addr > end - size)  
  49. 217                         goto out;  
  50. 218         }  
  51. 219   
  52. 220 found:  
  53. 221         area->next = *p;  
  54. 222         *p = area;  
  55. 223   
  56. 224         area->flags = flags;  
  57. 225         area->addr = (void *)addr;  
  58. 226         area->size = size;  
  59. 227         area->pages = NULL;  
  60. 228         area->nr_pages = 0;  
  61. 229         area->phys_addr = 0;  
  62. 230         write_unlock(&vmlist_lock);  
  63. 231   
  64. 232         return area;  
  65. 233   
  66. 234 out:  
  67. 235         write_unlock(&vmlist_lock);  
  68. 236         kfree(area);  
  69. 237         if (printk_ratelimit())  
  70. 238                 printk(KERN_WARNING "allocation failed: out of vmalloc space - use vmalloc=<size> to increase size.\n");  
  71. 239         return NULL;  
  72. 240 }  

@start是進行掃描的首地址，@end是掃描的終止地址。在start和end指定的地址空間內(nèi)分配。

193 首先分配一個vm_struct 結(jié)構(gòu)，因為這個機構(gòu)很小，自然使用kmalloc進行分配了，至于在哪個node分配，不用care

198~201 每個vm_struct之間都有4KB的隔離區(qū)，所以這里多分配4KB

204 ～ 218 循環(huán)遍歷已經(jīng)創(chuàng)建的vm_struct區(qū)，找到能夠創(chuàng)建地址空間的位置

205 ~ 209 如果start大于當前vm_struct的起始位置，那么我們嘗試下一個。同時判斷start是否落在這個vm_struct內(nèi)，如果是還要修改start

213 ~ 214 如果size + addr小于當前的vm_struct，說明匹配了一個可用位置，直接跳到found標號

221 ~ 222 把這個vm_struct增加到vmlist中去

從這個函數(shù)我們可以看出來，vm_struct的分配并不會考慮最優(yōu)匹配，而是在碰到一個夠用空間后直接返回。


分配物理頁面 并映射

__vmalloc_area_node

  1. 426 void *__vmalloc_area_node(struct vm_struct *area, gfp_t gfp_mask,  
  2. 427                                 pgprot_t prot, int node)  
  3. 428 {  
  4. 429         struct page **pages;  
  5. 430         unsigned int nr_pages, array_size, i;  
  6. 431   
  7. 432         nr_pages = (area->size - PAGE_SIZE) >> PAGE_SHIFT;  
  8. 433         array_size = (nr_pages * sizeof(struct page *));  
  9. 434   
  10. 435         area->nr_pages = nr_pages;  
  11. 436         /* Please note that the recursion is strictly bounded. */  
  12. 437         if (array_size > PAGE_SIZE) {  
  13. 438                 pages = __vmalloc_node(array_size, gfp_mask | __GFP_ZERO,  
  14. 439                                         PAGE_KERNEL, node);  
  15. 440                 area->flags |= VM_VPAGES;  
  16. 441         } else {  
  17. 442                 pages = kmalloc_node(array_size,  
  18. 443                                 (gfp_mask & GFP_RECLAIM_MASK) | __GFP_ZERO,  
  19. 444                                 node);  
  20. 445         }  
  21. 446         area->pages = pages;  
  22. 447         if (!area->pages) {  
  23. 448                 remove_vm_area(area->addr);  
  24. 449                 kfree(area);  
  25. 450                 return NULL;  
  26. 451         }  
  27. 452   
  28. 453         for (i = 0; i < area->nr_pages; i++) {  
  29. 454                 if (node < 0)  
  30. 455                         area->pages[i] = alloc_page(gfp_mask);  
  31. 456                 else  
  32. 457                         area->pages[i] = alloc_pages_node(node, gfp_mask, 0);  
  33. 458                 if (unlikely(!area->pages[i])) {  
  34. 459                         /* Successfully allocated i pages, free them in __vunmap() */  
  35. 460                         area->nr_pages = i;  
  36. 461                         goto fail;  
  37. 462                 }  
  38. 463         }  
  39. 464   
  40. 465         if (map_vm_area(area, prot, &pages))  
  41. 466                 goto fail;  
  42. 467         return area->addr;  
  43. 468   
  44. 469 fail:  
  45. 470         vfree(area->addr);  
  46. 471         return NULL;  
  47. 472 }  

432 根據(jù)area的size計算需要的物理頁面數(shù)目，減去1個PAGE_SIZE是因為這個vmalloc區(qū)包含一個4KB的隔離區(qū)

433 ～ 445 為area->pages數(shù)組分配內(nèi)存，理論上一個頁面只能保證1000個page指針，所以area->pages也使用vmalloc分配就很正常了

453 ～ 463調(diào)用alloc_pages_node一個一個的分配page，所以vmalloc的分配速度自然沒有使用alloc_pages的kmalloc高，但是vmalloc的成功率就很高了。

465 目前為止，還有一件事沒完成，那就是物理地址對邏輯地址的映射，map_vm_area就是做這事的


線性地址到物理地址映射

  1. 148 int map_vm_area(struct vm_struct *area, pgprot_t prot, struct page ***pages)  
  2. 149 {  
  3. 150         pgd_t *pgd;  
  4. 151         unsigned long next;  
  5. 152         unsigned long addr = (unsigned long) area->addr;  
  6. 153         unsigned long end = addr + area->size - PAGE_SIZE;  
  7. 154         int err;  
  8. 155   
  9. 156         BUG_ON(addr >= end);  
  10. 157         pgd = pgd_offset_k(addr);  
  11. 158         do {  
  12. 159                 next = pgd_addr_end(addr, end);  
  13. 160                 err = vmap_pud_range(pgd, addr, next, prot, pages);  
  14. 161                 if (err)  
  15. 162                         break;  
  16. 163         } while (pgd++, addr = next, addr != end);  
  17. 164         flush_cache_vmap((unsigned long) area->addr, end);  
  18. 165         return err;  
  19. 166 }  
  20. 167 EXPORT_SYMBOL_GPL(map_vm_area);  

153 別忘了，減去隔離區(qū)的一個PAGE_SIZE大小

158 ~ 163 對addr和end范圍內(nèi)的頁表進行映射，包括pgd pud pmd和pte。

164 這是一個體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的函數(shù)，有些體系結(jié)構(gòu)無法察覺到頁表的變化，因此在修改頁表后，需要程序主動的去刷新以下；有些CPU有感知變化的能力，會自動的刷新高速緩存，IA32就是如此。


GOOD，分析完了，vmalloc的代碼還是簡明清晰的，這次閱讀解決了幾個以前迷惑的問題

1. vmalloc區(qū)域是不是和應(yīng)用空間內(nèi)存映射一樣，通過page fault來裝載頁面的。

答案：不是，vmalloc映射建立好后，邏輯地址，物理頁面全部分配好，而且頁表也已經(jīng)更新好，和用戶空間映射完全一樣。這是合理的，因為如果像用戶空間映射那樣，訪問地址產(chǎn)生page fault，會使得vmalloc獲得的內(nèi)存使用上受到極大的限制，比如不能在禁止調(diào)度的地方訪問vmalloc分配的地址。




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