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Linux vmalloc原理与实现

文章目录

  • 前言
  • 一、vmalloc 原理
    • 1.1 vmalloc space
    • 1.2 vmalloc实现
    • 1.3 __vmalloc_node_range
      • 1.3.1 __get_vm_area_node
      • 1.3.2 __vmalloc_area_node
      • 1.3.3 map_vm_area
  • 二、数据结构
    • 2.1 struct vm_struct
    • 2.2 struct vmap_area
  • 三、vmalloc初始化
  • 总结
  • 参考资料

前言

物理上连续的内存映射对内核是最高效的,这样会充分利用高速缓存获得较低的平均访问时间,但是伴随着系统的运行,会出现大量物理内存碎片,系统可能在分配大块内存时,无法找到连续的物理内存页。
vmalloc用于在内核中分配物理上不连续但虚拟地址连续的内存空间。
主要用于内核模块的分配和I/O驱动程序分配缓冲区。

一、vmalloc 原理

1.1 vmalloc space

// linux-3.10/Documentation/x86/x86_64/mm.txt

Virtual memory map with 4 level page tables:

ffffc90000000000 - ffffe8ffffffffff (=45 bits) vmalloc/ioremap space
// linux-3.10/arch/x86/include/asm/pgtable_64_types.h

#define VMALLOC_START    _AC(0xffffc90000000000, UL)
#define VMALLOC_END      _AC(0xffffe8ffffffffff, UL)

在这里插入图片描述

1.2 vmalloc实现

// linux-3.10/mm/vmalloc.c

/**
 *	vmalloc  -  allocate virtually contiguous memory
 *	@size:		allocation size
 *	Allocate enough pages to cover @size from the page level
 *	allocator and map them into contiguous kernel virtual space.
 *
 *	For tight control over page level allocator and protection flags
 *	use __vmalloc() instead.
 */
void *vmalloc(unsigned long size)
{
	return __vmalloc_node_flags(size, NUMA_NO_NODE,
				    GFP_KERNEL | __GFP_HIGHMEM);
}
EXPORT_SYMBOL(vmalloc);

vmalloc函数只有一个参数就是指定需要的内核虚拟地址空间的大小size,但是size的不能是字节只能是页。我已1页4K为例,该函数分配的内存大小是4K的整数倍。

GFP_KERNEL是内核中分配内存最常用的标志,这种分配可能会引起睡眠,阻塞,使用的普通优先级,用在可以重新安全调度的进程上下文中。因此不能在中断上下文中调用vmalloc,也不允许在不允许阻塞的地方调用。
__GFP_HIGHMEM表示尽量从物理内存区的高端内存区分配内存,x86_64没有高端内存区。

vmalloc在内核中最普遍的用处便是模块的实现,因为模块可以在任何时候加载,如果模块的数据比较多,那么无法保证有连续的物理内存,使用vmalloc便可以使用多块小的物理页(通常用多个1页物理页进行拼接)拼接出连续的内核虚拟地址空间。

// linux-3.10/mm/vmalloc.c

static inline void *__vmalloc_node_flags(unsigned long size,
					int node, gfp_t flags)
{
	return __vmalloc_node(size, 1, flags, PAGE_KERNEL,
					node, __builtin_return_address(0));
}
// linux-3.10/mm/vmalloc.c

/**
 *	__vmalloc_node  -  allocate virtually contiguous memory
 *	@size:		allocation size
 *	@align:		desired alignment
 *	@gfp_mask:	flags for the page level allocator
 *	@prot:		protection mask for the allocated pages
 *	@node:		node to use for allocation or NUMA_NO_NODE
 *	@caller:	caller's return address
 *
 *	Allocate enough pages to cover @size from the page level
 *	allocator with @gfp_mask flags.  Map them into contiguous
 *	kernel virtual space, using a pagetable protection of @prot.
 */
static void *__vmalloc_node(unsigned long size, unsigned long align,
			    gfp_t gfp_mask, pgprot_t prot,
			    int node, const void *caller)
{
	return __vmalloc_node_range(size, align, VMALLOC_START, VMALLOC_END,
				gfp_mask, prot, node, caller);
}

vmalloc的核心函数就是__vmalloc_node_range:
其中的一些参数:

// linux-3.10/include/linux/numa.h
#define	NUMA_NO_NODE	(-1)

// linux-3.10/arch/x86/include/asm/pgtable_types.h
#define __PAGE_KERNEL		(__PAGE_KERNEL_EXEC | _PAGE_NX)
#define PAGE_KERNEL			__pgprot(__PAGE_KERNEL)

node = NUMA_NO_NODE
align = 1
gfp_mask = GFP_KERNEL | __GFP_HIGHMEM
start = VMALLOC_START
end = VMALLOC_END
prot = PAGE_KERNEL
caller = __builtin_return_address(0)
// linux-3.10/include/linux/vmalloc.h
/* bits in flags of vmalloc's vm_struct below */
#define VM_IOREMAP	0x00000001	/* ioremap() and friends */
#define VM_ALLOC	0x00000002	/* vmalloc() */
#define VM_MAP		0x00000004	/* vmap()ed pages */
#define VM_USERMAP	0x00000008	/* suitable for remap_vmalloc_range */
#define VM_VPAGES	0x00000010	/* buffer for pages was vmalloc'ed */
#define VM_UNLIST	0x00000020	/* vm_struct is not listed in vmlist */
/* bits [20..32] reserved for arch specific ioremap internals */
// linux-3.10/mm/vmalloc.c

/**
 *	__vmalloc_node_range  -  allocate virtually contiguous memory
 *	@size:		allocation size
 *	@align:		desired alignment
 *	@start:		vm area range start
 *	@end:		vm area range end
 *	@gfp_mask:	flags for the page level allocator
 *	@prot:		protection mask for the allocated pages
 *	@node:		node to use for allocation or NUMA_NO_NODE
 *	@caller:	caller's return address
 *
 *	Allocate enough pages to cover @size from the page level
 *	allocator with @gfp_mask flags.  Map them into contiguous
 *	kernel virtual space, using a pagetable protection of @prot.
 */
void *__vmalloc_node_range(unsigned long size, unsigned long align,
			unsigned long start, unsigned long end, gfp_t gfp_mask,
			pgprot_t prot, int node, const void *caller)
{
	struct vm_struct *area;
	void *addr;
	unsigned long real_size = size;

	size = PAGE_ALIGN(size);
	if (!size || (size >> PAGE_SHIFT) > totalram_pages)
		goto fail;

	//寻找内核虚拟地址空间vmalloc区域
	//VM_ALLOC表示使用vmlloc分配得到的页
	//VM_UNLIST表示vm_struct不在vmlist全局链表中
	area = __get_vm_area_node(size, align, VM_ALLOC | VM_UNLIST,
				  start, end, node, gfp_mask, caller);
	if (!area)
		goto fail;

	//一页一页的分配物理页,建立与虚拟地址空间vmalloc区域之间的映射,
	//为不连续的物理页创建页表,更新内核页表
	addr = __vmalloc_area_node(area, gfp_mask, prot, node, caller);
	if (!addr)
		return NULL;

	/*
	 * In this function, newly allocated vm_struct has VM_UNLIST flag.
	 * It means that vm_struct is not fully initialized.
	 * Now, it is fully initialized, so remove this flag here.
	 */
	clear_vm_unlist(area);

	/*
	 * A ref_count = 3 is needed because the vm_struct and vmap_area
	 * structures allocated in the __get_vm_area_node() function contain
	 * references to the virtual address of the vmalloc'ed block.
	 */
	kmemleak_alloc(addr, real_size, 3, gfp_mask);

	return addr;

fail:
	warn_alloc_failed(gfp_mask, 0,
			  "vmalloc: allocation failure: %lu bytes\n",
			  real_size);
	return NULL;
}

1.3 __vmalloc_node_range

1.3.1 __get_vm_area_node

static struct vm_struct *__get_vm_area_node(unsigned long size,
		unsigned long align, unsigned long flags, unsigned long start,
		unsigned long end, int node, gfp_t gfp_mask, const void *caller)
{
	struct vmap_area *va;
	struct vm_struct *area;

	......

	size = PAGE_ALIGN(size);
	if (unlikely(!size))
		return NULL;

	//调用 kmalloc 分配 struct vm_struct 结构体
	area = kzalloc_node(sizeof(*area), gfp_mask & GFP_RECLAIM_MASK, node);
	if (unlikely(!area))
		return NULL;

	/*
	 * We always allocate a guard page.
	 */
	 //分配一个guard page作为安全间隙
	size += PAGE_SIZE;

	//调用 kmalloc 分配 struct vmap_area 结构体
	//将struct vmap_area 结构体添加到红黑树和链表中
	va = alloc_vmap_area(size, align, start, end, node, gfp_mask);
	if (IS_ERR(va)) {
		kfree(area);
		return NULL;
	}

	/*
	 * When this function is called from __vmalloc_node_range,
	 * we add VM_UNLIST flag to avoid accessing uninitialized
	 * members of vm_struct such as pages and nr_pages fields.
	 * They will be set later.
	 */
	 //将struct vmap_area *va和struct vm_struct *area建立关联
	if (flags & VM_UNLIST)
		setup_vmalloc_vm(area, va, flags, caller);
	else
		insert_vmalloc_vm(area, va, flags, caller);

	return area;
}

该函数主要用来在vmalloc区域(VMALLOC_START,VMALLOC_END)找到一个合适的位置,创建一个新的虚拟区域。
其中alloc_vmap_area函数比较重要:

static DEFINE_SPINLOCK(vmap_area_lock);
/* Export for kexec only */
LIST_HEAD(vmap_area_list);
static struct rb_root vmap_area_root = RB_ROOT;

/* The vmap cache globals are protected by vmap_area_lock */
static struct rb_node *free_vmap_cache;
/*
 * Allocate a region of KVA of the specified size and alignment, within the
 * vstart and vend.
 */
static struct vmap_area *alloc_vmap_area(unsigned long size,
				unsigned long align,
				unsigned long vstart, unsigned long vend,
				int node, gfp_t gfp_mask)
{
	struct vmap_area *va;
	struct rb_node *n;
	unsigned long addr;
	int purged = 0;
	struct vmap_area *first;
	
	......

	//调用 kmalloc 分配 一个 struct vmap_area结构体
	va = kmalloc_node(sizeof(struct vmap_area),
			gfp_mask & GFP_RECLAIM_MASK, node);

	......

	spin_lock(&vmap_area_lock);
	
	/* find starting point for our search */
	if (free_vmap_cache) {
		first = rb_entry(free_vmap_cache, struct vmap_area, rb_node);
		addr = ALIGN(first->va_end, align);
		if (addr < vstart)
			goto nocache;
		if (addr + size - 1 < addr)
			goto overflow;

	} else {
		addr = ALIGN(vstart, align);
		if (addr + size - 1 < addr)
			goto overflow;

		n = vmap_area_root.rb_node;
		first = NULL;

		while (n) {
			struct vmap_area *tmp;
			tmp = rb_entry(n, struct vmap_area, rb_node);
			if (tmp->va_end >= addr) {
				first = tmp;
				if (tmp->va_start <= addr)
					break;
				n = n->rb_left;
			} else
				n = n->rb_right;
		}

		if (!first)
			goto found;
	}

	/* from the starting point, walk areas until a suitable hole is found */
	// 在vmlloc区找到一个合适的内核虚拟地址空间vmlloc区域
	while (addr + size > first->va_start && addr + size <= vend) {
		if (addr + cached_hole_size < first->va_start)
			cached_hole_size = first->va_start - addr;
		addr = ALIGN(first->va_end, align);
		if (addr + size - 1 < addr)
			goto overflow;

		if (list_is_last(&first->list, &vmap_area_list))
			goto found;

		first = list_entry(first->list.next,
				struct vmap_area, list);
	}
//在vmlloc区找到一个合适的内核虚拟地址空间vmlloc区域后,调用__insert_vmap_area
found:
	if (addr + size > vend)
		goto overflow;

	va->va_start = addr;
	va->va_end = addr + size;
	va->flags = 0;
	__insert_vmap_area(va);
	free_vmap_cache = &va->rb_node;
	spin_unlock(&vmap_area_lock);

	return va;
	......
}

从VMALLOC_START开始,从vmap_area_root这棵红黑树上查找,这个红黑树里存放着系统中正在使用的vmalloc区块。遍历左子叶节点找区间地址最小的区块。如果区块的开始地址等于VMALLOC_START,说明这区块是第一块vmalloc区域。如果红黑树没有一个节点,说明整个vmalloc区间都是空的。
查找每个存在的vmalloc区块的缝隙hole能否容纳目前要分配内存的大小。如果在已有vmalloc区块的缝隙中没能找到合适的hole。那么从最后一块vmalloc区块的结束地址开始一个新的vmalloc区域。
找到新的区块hole后,调用__insert_vmap_area函数把这个hole注册到红黑树中。

__insert_vmap_area将struct vmap_area *va加入全局的红黑树vmap_area_root和全局的链表vmap_area_list中:

/* Export for kexec only */
LIST_HEAD(vmap_area_list);
static struct rb_root vmap_area_root = RB_ROOT;
static void __insert_vmap_area(struct vmap_area *va)
{
	struct rb_node **p = &vmap_area_root.rb_node;
	struct rb_node *parent = NULL;
	struct rb_node *tmp;

	while (*p) {
		struct vmap_area *tmp_va;

		parent = *p;
		tmp_va = rb_entry(parent, struct vmap_area, rb_node);
		if (va->va_start < tmp_va->va_end)
			p = &(*p)->rb_left;
		else if (va->va_end > tmp_va->va_start)
			p = &(*p)->rb_right;
		else
			BUG();
	}

	rb_link_node(&va->rb_node, parent, p);
	// 将struct vmap_area *va加入全局的红黑树vmap_area_root
	rb_insert_color(&va->rb_node, &vmap_area_root);

	/* address-sort this list */
	tmp = rb_prev(&va->rb_node);
	if (tmp) {
		struct vmap_area *prev;
		prev = rb_entry(tmp, struct vmap_area, rb_node);
		list_add_rcu(&va->list, &prev->list);
	} else
		//将struct vmap_area *va加入全局的链表vmap_area_list中
		list_add_rcu(&va->list, &vmap_area_list);
}

1.3.2 __vmalloc_area_node

static void *__vmalloc_area_node(struct vm_struct *area, gfp_t gfp_mask,
				 pgprot_t prot, int node, const void *caller)
{
	const int order = 0;
	struct page **pages;
	unsigned int nr_pages, array_size, i;
	gfp_t nested_gfp = (gfp_mask & GFP_RECLAIM_MASK) | __GFP_ZERO;

	//计算所需物理页的数目
	nr_pages = (area->size - PAGE_SIZE) >> PAGE_SHIFT;
	array_size = (nr_pages * sizeof(struct page *));

	area->nr_pages = nr_pages;
	/* Please note that the recursion is strictly bounded. */
	if (array_size > PAGE_SIZE) {
		pages = __vmalloc_node(array_size, 1, nested_gfp|__GFP_HIGHMEM,
				PAGE_KERNEL, node, caller);
		area->flags |= VM_VPAGES;
	} else {
		pages = kmalloc_node(array_size, nested_gfp, node);
	}
	area->pages = pages;
	area->caller = caller;
	if (!area->pages) {
		remove_vm_area(area->addr);
		kfree(area);
		return NULL;
	}

	//调用alloc_page从当前node分配物理页(伙伴系统),是一页一页的分配不连续的物理页
	for (i = 0; i < area->nr_pages; i++) {
		struct page *page;
		gfp_t tmp_mask = gfp_mask | __GFP_NOWARN;

		//node = NUMA_NO_NODE = -1
		if (node < 0)
			//alloc_page():buddy allocator接口,分配一页物理页
			page = alloc_page(tmp_mask);
		else
			page = alloc_pages_node(node, tmp_mask, order);

		if (unlikely(!page)) {
			/* Successfully allocated i pages, free them in __vunmap() */
			area->nr_pages = i;
			goto fail;
		}
		area->pages[i] = page;
	}

	//将分配的物理页依次映射到连续的内核虚拟地址空间vmalloc区域
	if (map_vm_area(area, prot, &pages))
		goto fail;
	return area->addr;

fail:
	warn_alloc_failed(gfp_mask, order,
			  "vmalloc: allocation failure, allocated %ld of %ld bytes\n",
			  (area->nr_pages*PAGE_SIZE), area->size);
	vfree(area->addr);
	return NULL;
}
#define alloc_page(gfp_mask) alloc_pages(gfp_mask, 0)

order = 0,代表从伙伴系统接口分配一页物理页。

该函数调用alloc_page从当前node分配物理页,物理页来自于伙伴系统。vmalloc是为了分配大块物理内存,但是由于内存碎片的缘故,内存块的页帧可能不是连续的,为了分配大块的物理内存,因此分配单元尽可能的小,也就是一页物理页。vmalloc是一页一页的分配物理页,这样就可以保证即使有很多物理页碎片,vmalloc分配大块内存仍然可以成功。

调用buddy allocator接口alloc_page()每次获取一个物理页框填入到vm_struct中的struct page* 数组。

然后调用map_vm_area将分配的物理页依次映射到连续的内核虚拟地址空间vmalloc区域。

1.3.3 map_vm_area

int map_vm_area(struct vm_struct *area, pgprot_t prot, struct page ***pages)
{
	unsigned long addr = (unsigned long)area->addr;
	unsigned long end = addr + area->size - PAGE_SIZE;
	int err;

	err = vmap_page_range(addr, end, prot, *pages);
	if (err > 0) {
		*pages += err;
		err = 0;
	}

	return err;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(map_vm_area);
static int vmap_page_range(unsigned long start, unsigned long end,
			   pgprot_t prot, struct page **pages)
{
	int ret;

	ret = vmap_page_range_noflush(start, end, prot, pages);
	flush_cache_vmap(start, end);
	return ret;
}
/*
 * Set up page tables in kva (addr, end). The ptes shall have prot "prot", and
 * will have pfns corresponding to the "pages" array.
 *
 * Ie. pte at addr+N*PAGE_SIZE shall point to pfn corresponding to pages[N]
 */
static int vmap_page_range_noflush(unsigned long start, unsigned long end,
				   pgprot_t prot, struct page **pages)
{
	pgd_t *pgd;
	unsigned long next;
	unsigned long addr = start;
	int err = 0;
	int nr = 0;

	BUG_ON(addr >= end);
	//获取内核页表init_mm.pgd = swapper_pg_dir
	pgd = pgd_offset_k(addr);
	do {
		next = pgd_addr_end(addr, end);
		//填充内核页表的页上级目录pud,将其物理地址写入页上级目录项中
		err = vmap_pud_range(pgd, addr, next, prot, pages, &nr);
		if (err)
			return err;
	} while (pgd++, addr = next, addr != end);

	return nr;
}
// linux-3.10/arch/x86/include/asm/pgtable.h

/*
 * a shortcut which implies the use of the kernel's pgd, instead
 * of a process's
 */
#define pgd_offset_k(address) pgd_offset(&init_mm, (address))

调用pgd_offset_k获取内核页表init_mm.pgd ( swapper_pg_dir),建立物理页与内核虚拟地址空间之间的映射,分配PUD,PMD,PTE更新内核页表。但并不会将更新的内核页表同步到用户进程的页表中,这就是lazy机制。只有发生了对应的缺页异常后,才会将更新的内核页表同步到用户进程的页表。
vmalloc缺页异常请参考:Linux vmalloc缺页异常处理

调用pud_alloc、pmd_alloc、pte_alloc_kernel分配PUD,PMD,PTE。

以下为上面分配的不连续的物理页建立内核页表映射,填充内核页表,获取到内核全局目录项后,一直循环,为不连续的物理页填充内核页表。

循环结束的条件:指向非连续物理内存区的所有页表项全被建立。

static int vmap_pte_range(pmd_t *pmd, unsigned long addr,
		unsigned long end, pgprot_t prot, struct page **pages, int *nr)
{
	pte_t *pte;

	/*
	 * nr is a running index into the array which helps higher level
	 * callers keep track of where we're up to.
	 */

	//分配一个新的内核页表项:pte_t *pte
	pte = pte_alloc_kernel(pmd, addr);
	if (!pte)
		return -ENOMEM;
	//循环结束的条件:指向非连续物理内存区的所有页表项全被建立
	do {
		//pages[*nr]为之前分配的物理页数组
		struct page *page = pages[*nr];

		if (WARN_ON(!pte_none(*pte)))
			return -EBUSY;
		if (WARN_ON(!page))
			return -ENOMEM;
		//填充内核页表的页表项pte,将其物理地址写入页表项中	
		//填充页表项,即:更新内核页表项,把物理页的物理地址写入页表项中
		set_pte_at(&init_mm, addr, pte, mk_pte(page, prot));
		(*nr)++;
	} while (pte++, addr += PAGE_SIZE, addr != end);
	return 0;
}

static int vmap_pmd_range(pud_t *pud, unsigned long addr,
		unsigned long end, pgprot_t prot, struct page **pages, int *nr)
{
	pmd_t *pmd;
	unsigned long next;

	pmd = pmd_alloc(&init_mm, pud, addr);
	if (!pmd)
		return -ENOMEM;
	//循环结束的条件:指向非连续物理内存区的所有页表项全被建立
	do {
		next = pmd_addr_end(addr, end);
		填充内核页表的页中级目录pmd,将其物理地址写入页中级目录项中
		if (vmap_pte_range(pmd, addr, next, prot, pages, nr))
			return -ENOMEM;
	} while (pmd++, addr = next, addr != end);
	return 0;
}

static int vmap_pud_range(pgd_t *pgd, unsigned long addr,
		unsigned long end, pgprot_t prot, struct page **pages, int *nr)
{
	pud_t *pud;
	unsigned long next;

	//分配一个页上级目录
	pud = pud_alloc(&init_mm, pgd, addr);
	if (!pud)
		return -ENOMEM;
	//循环结束的条件:指向非连续物理内存区的所有页表项全被建立
	do {
		next = pud_addr_end(addr, end);
		填充内核页表的页中级目录pmd,将其物理地址写入页中级目录项中
		if (vmap_pmd_range(pud, addr, next, prot, pages, nr))
			return -ENOMEM;
	} while (pud++, addr = next, addr != end);
	return 0;
}

调用map_vm_area时,传入分配的物理页数组struct page **pages:将其最终传入到vmap_pte_range函数中,分配PTE,调用set_pte_at(&init_mm, addr, pte, mk_pte(page, prot)),创建新的页表项,将新页框的物理地址写入页表,建立pte_t *pte与struct page *page之间的关联。也就是建立新创建的页表项与物理页之间的关联。

static int vmap_pte_range(pmd_t *pmd, unsigned long addr,
		unsigned long end, pgprot_t prot, struct page **pages, int *nr)
{
	pte_t *pte;

	/*
	 * nr is a running index into the array which helps higher level
	 * callers keep track of where we're up to.
	 */

	pte = pte_alloc_kernel(pmd, addr);
	if (!pte)
		return -ENOMEM;
	do {
		struct page *page = pages[*nr];

		if (WARN_ON(!pte_none(*pte)))
			return -EBUSY;
		if (WARN_ON(!page))
			return -ENOMEM;
		set_pte_at(&init_mm, addr, pte, mk_pte(page, prot));
		(*nr)++;
	} while (pte++, addr += PAGE_SIZE, addr != end);
	return 0;
}

与上述相反的一系列函数操作集(vunmap,释放相关的区域,从内核页表中删除不再需要的项,与分配内存时相似,也要操作各级页表):

/*** Page table manipulation functions ***/

static void vunmap_pte_range(pmd_t *pmd, unsigned long addr, unsigned long end)
{
	pte_t *pte;

	pte = pte_offset_kernel(pmd, addr);
	do {
		pte_t ptent = ptep_get_and_clear(&init_mm, addr, pte);
		WARN_ON(!pte_none(ptent) && !pte_present(ptent));
	} while (pte++, addr += PAGE_SIZE, addr != end);
}

static void vunmap_pmd_range(pud_t *pud, unsigned long addr, unsigned long end)
{
	pmd_t *pmd;
	unsigned long next;

	pmd = pmd_offset(pud, addr);
	do {
		next = pmd_addr_end(addr, end);
		if (pmd_none_or_clear_bad(pmd))
			continue;
		vunmap_pte_range(pmd, addr, next);
	} while (pmd++, addr = next, addr != end);
}

static void vunmap_pud_range(pgd_t *pgd, unsigned long addr, unsigned long end)
{
	pud_t *pud;
	unsigned long next;

	pud = pud_offset(pgd, addr);
	do {
		next = pud_addr_end(addr, end);
		if (pud_none_or_clear_bad(pud))
			continue;
		vunmap_pmd_range(pud, addr, next);
	} while (pud++, addr = next, addr != end);
}

static void vunmap_page_range(unsigned long addr, unsigned long end)
{
	pgd_t *pgd;
	unsigned long next;

	BUG_ON(addr >= end);
	pgd = pgd_offset_k(addr);
	do {
		next = pgd_addr_end(addr, end);
		if (pgd_none_or_clear_bad(pgd))
			continue;
		vunmap_pud_range(pgd, addr, next);
	} while (pgd++, addr = next, addr != end);
}

二、数据结构

vmalloc函数实现过程,涉及到最重要的两个数据结构就是struct vm_struct和struct vmap_area。
这两个结构提分配都是调用kmalloc进行内存分配,也就是调用的通用的sla(u)分配器。

2.1 struct vm_struct

对于内核用vmalloc分配的一段连续的虚拟地址空间区域,都用一个 struct vm_struct 结构体来管理。

// linux-3.10/include/linuxvmalloc.h

struct vm_struct {
	struct vm_struct	*next;
	void			*addr;
	unsigned long		size;
	unsigned long		flags;
	struct page		**pages;
	unsigned int		nr_pages;
	phys_addr_t		phys_addr;
	const void		*caller;
};
成员描述
next使得内核可以将vmalloc区域中的所有子区域保存在一个单链表上
addr定义了分配的子区域在虚拟地址空间中的起始地址。size表示该子区域的长度. 可以根据该信息来勾画出vmalloc区域的完整分配方案
size虚拟地址空间区域大小,该子区域的长度
flags存储了与该内存区关联的标志集合, 这几乎是不可避免的. 它只用于指定内存区类型
pages是一个指针,指向page指针的数组。每个数组成员都表示一个映射到虚拟地址空间中的物理内存页的page实例
nr_pages指定pages中数组项的数目,即涉及的内存页数目
phys_addr仅当用ioremap映射了由物理地址描述的物理内存区域时才需要。该信息保存在phys_addr中

从/proc/vmallocinfo文件中我们可以看到vmalloc子区域都是页的整数倍大小,当用ioremap映射了由物理地址描述的物理内存区域时,会将物理地址保存再phys_addr成员中。
在这里插入图片描述

其中flags字段可以的值为:

// linux-3.10/include/linux/vmalloc.h

/* bits in flags of vmalloc's vm_struct below */
#define VM_IOREMAP	0x00000001	/* ioremap() and friends */
#define VM_ALLOC	0x00000002	/* vmalloc() */
#define VM_MAP		0x00000004	/* vmap()ed pages */
#define VM_USERMAP	0x00000008	/* suitable for remap_vmalloc_range */
#define VM_VPAGES	0x00000010	/* buffer for pages was vmalloc'ed */
#define VM_UNLIST	0x00000020	/* vm_struct is not listed in vmlist */
/* bits [20..32] reserved for arch specific ioremap internals */

使用vmalloc时通常为VM_ALLOC标志。

在这里插入图片描述

2.2 struct vmap_area

在创建一个新的虚拟内存区之前,必须要找到一个适合的虚拟地址空间区域。struct vmap_area用于描述这块虚拟地址空间区域:vmalloc子区域。

struct vmap_area {
	unsigned long va_start;
	unsigned long va_end;
	unsigned long flags;
	struct rb_node rb_node;         /* address sorted rbtree */
	struct list_head list;          /* address sorted list */
	struct list_head purge_list;    /* "lazy purge" list */
	struct vm_struct *vm;
	struct rcu_head rcu_head;
};
成员描述
va_startvmalloc子区域的虚拟区间起始地址
va_endvmalloc子区域的虚拟区间结束地址
flags类型标识
rb_node插入红黑树vmap_area_root的节点
list用于加入链表vmap_area_list的节点
purge_list用于加入到全局链表vmap_purge_list中
vm指向对应的vm_struct

flags类型,通常为VM_VM_AREA

/*** Global kva allocator ***/

#define VM_LAZY_FREE	0x01
#define VM_LAZY_FREEING	0x02
#define VM_VM_AREA	0x04

struct vmap_area用于描述一段虚拟地址的区域,从结构体中va_start/va_end也能看出来。同时该结构体会通过rb_node挂在红黑树上,通过list挂在链表上。
struct vmap_area中vm字段是struct vm_struct结构,用于管理虚拟地址和物理页之间的映射关系,可以将struct vm_struct构成一个链表,维护多段映射。

三、vmalloc初始化

asmlinkage void __init start_kernel(void)
{
	mm_init();
}
/*
 * Set up kernel memory allocators
 */
static void __init mm_init(void)
{
	/*
	 * page_cgroup requires contiguous pages,
	 * bigger than MAX_ORDER unless SPARSEMEM.
	 */
	page_cgroup_init_flatmem();
	mem_init();
	kmem_cache_init();
	percpu_init_late();
	pgtable_cache_init();
	vmalloc_init();
}

伙伴系统和sla(u)b分配器初始化完成后再调用vmalloc_init,因此vmalloc中调用了kmalloc接口(主要用来为struct vm_struct和struct vmap_area分配内存)。

static struct vm_struct *vmlist __initdata;

void __init vmalloc_init(void)
{
	struct vmap_area *va;
	struct vm_struct *tmp;
	int i;

	for_each_possible_cpu(i) {
		struct vmap_block_queue *vbq;
		struct vfree_deferred *p;

		vbq = &per_cpu(vmap_block_queue, i);
		spin_lock_init(&vbq->lock);
		INIT_LIST_HEAD(&vbq->free);
		p = &per_cpu(vfree_deferred, i);
		init_llist_head(&p->list);
		INIT_WORK(&p->wq, free_work);
	}

	/* Import existing vmlist entries. */
	for (tmp = vmlist; tmp; tmp = tmp->next) {
		//为已经存在的struct vm_struct分配对应的struct vmap_area
		va = kzalloc(sizeof(struct vmap_area), GFP_NOWAIT);
		//初始化struct vmap_area
		va->flags = VM_VM_AREA;
		va->va_start = (unsigned long)tmp->addr;
		va->va_end = va->va_start + tmp->size;
		va->vm = tmp;
		__insert_vmap_area(va);
	}

	vmap_area_pcpu_hole = VMALLOC_END;

	vmap_initialized = true;
}

vmlist是一个全局的vm_struct数据结构,代码主要就是遍历vmlist链表,为每一个struct vm_struct创建对应的struct vmap_area,并初始化,添加到全局的红黑树vmap_area_root和链表vmap_area_list中。所有通过vmap、vmlianalloc等接口分配的虚拟地址空间vm_area都会挂在这个红黑树vmap_area_root和链表vmap_area_list中。

总结

(1)在vmalloc区域(VMALLOC_START,VMALLOC_END)找到一个合适的位置,创建一个新的虚拟区域。
(2)调用buddy allocator接口:alloc_page(),分配一页一页的物理页。
(3)建立内核虚拟地址空间vmalloc区域于物理页之间的映射,分配内核页表的PUD,PMD,PTE,更新内核页表。
(4)由于是一页一页分配的物理页,因此建立映射时也要一一建立映射,会导致比直接内存映射大的多TLB抖动,这样就不能充分利用缓存了,影响查询页表效率。

参考资料

Linux 3.10.0
https://www.cnblogs.com/LoyenWang/p/11965787.html
https://blog.csdn.net/u012489236/article/details/108313150
https://blog.csdn.net/weixin_42262944/article/details/119272588
https://kernel.blog.csdn.net/article/details/52705111

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