Linux内存管理之高端内存映射

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一：引子

我们在前面分析过，在linux内存管理中，内核使用3G—>4G的地址空间，总共1G的大小。而且有一部份用来做非连续空间的物理映射（vmalloc）.除掉这部份空间之外，只留下896M大小供内核映射到物理地址。通常，我们把物理地址超过896M的区域称为高端内存。内核怎样去管理高端内存呢？今天就来分析这个问题。

内核有三种方式管理高端内存。第一种是非连续映射。这我们在前面的vmalloc中已经分析过了，在vmalloc中请求页面的时候，请求的是高端内存，然后映射到VMALLOC_START与VMALLOC_END之间。这一过程不再赘述。第二种方式是永久内存映射。最后一种方式叫临时内核映射。

接下来，详细的分析一下第二种和第三种方式。对于第一种方式，我们在之前已经分析过了。

借鉴网上的一个图，来说明一下这三种方式的大概映射过程。

 

二：永久内存映射

永久内存映射在内核的接口为：kmap()/kunmap().在详细分析代码之前，有必须弄懂几个全局变量的含义：

PKMAP_BASE：永久映射空间的起始地址。永久映射空间为4M。所以它最多能映射4M/4K=1024个页面。

pkmap_page_table：永久映射空间对应的页目录。我们来看一下它的初始化：

pkmap_page_table = pte_offset_kernel(pmd_offset(pgd_offset_k

              (PKMAP_BASE), PKMAP_BASE), PKMAP_BASE);

              实际上它就是PKMAP_BASE所在的PTE

LAST_PKMAP：永久映射空间所能映射的页面数。在没有开启PAE的情况下被定义为1024

highmem_start_page：高端内存的起始页面

pkmap_count[PKMAP]:每一项用来对应映射区域的引用计数。关于引用计数，有以下几种情况：

                   为0时：说明映射区域可用。为1时：映射区域不可用，因为自从它最后一次使用以来。TLB还没有将它刷新

              为N时，有N-1个对象正在使用这个页面

last_pkmap_nr：在建立永久映射的时候，最后使用的序号

代码如下：

void *kmap(struct page *page)

{

     //可能引起睡眠。在永久映射区没有空闲地址的时候

     might_sleep();

     //如果不是高端页面。那它在直接映射空间已经映射好了，直接计算即可

     if (page < highmem_start_page)

         return page_address(page);

     //如果是高端页面。即在永久映射区为其分配地址

     return kmap_high(page);

}

转到kmap_high():

void fastcall *kmap_high(struct page *page)

{

     unsigned long vaddr;

     spin_lock(&kmap_lock);

     //取页面地址

     vaddr = (unsigned long)page_address(page);

     //如果页面还没有映射到线性地址，为它建立好映射

     if (!vaddr)

         vaddr = map_new_virtual(page);

     //有一个引用了，计数加1

     pkmap_count[PKMAP_NR(vaddr)]++;

     //如果计数小于2，这种情况是无效的。

     if (pkmap_count[PKMAP_NR(vaddr)] < 2)

         BUG();

     spin_unlock(&kmap_lock);

     return (void*) vaddr;

}

map_new_virtual（）用于将一个page映射到永久映射区域。它的实现如下：

static inline unsigned long map_new_virtual(struct page *page)

{

     unsigned long vaddr;

     int count;

 

start:

     count = LAST_PKMAP;

     for (;;) {

         //从last_pkmap_nr开始搜索。大于LAST_PKMAP时，又将它从0开始

         //其中LAST_PKMAP_MASK被定义为：(LAST_PKMAP-1)

         last_pkmap_nr = (last_pkmap_nr + 1) & LAST_PKMAP_MASK;

         //如果last_pkmap_nr等于0，也就是从头开始了

if (!last_pkmap_nr) {

     //扫描所有计数为1的项，将它置为零。如果还有映射到页面。断开它的映射关系

              flush_all_zero_pkmaps();

              count = LAST_PKMAP;

         }

         //如果计数为0，可用，就用它了，跳出循环

if (!pkmap_count[last_pkmap_nr])

              break;   /* Found a usable entry */

         if (--count)

              continue;

//遍历了整个区都无可用区间，睡眠

         {

              DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);

 

              __set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);

              add_wait_queue(&pkmap_map_wait, &wait);

              spin_unlock(&kmap_lock);

              schedule();

              remove_wait_queue(&pkmap_map_wait, &wait);

              spin_lock(&kmap_lock);

 

              /* Somebody else might have mapped it while we slept */

              //可能在睡眠的时候，其它进程已经映射好了,

              if (page_address(page))

                   return (unsigned long)page_address(page);

 

              //重新开始

              goto start;

         }

     }

     // #define PKMAP_ADDR(nr)  (PKMAP_BASE + ((nr) << PAGE_SHIFT))

     //将序号转化为线性地址

     vaddr = PKMAP_ADDR(last_pkmap_nr);

     //将线性地址映射到page

     set_pte(&(pkmap_page_table[last_pkmap_nr]), mk_pte(page, kmap_prot));

     //将其引用计数置1

     pkmap_count[last_pkmap_nr] = 1;

     //更新page的线性地址

     set_page_address(page, (void *)vaddr);

 

     return vaddr;

}

Kunmap()的实现如下：

void kunmap(struct page *page)

{

     //不能在中断中

     if (in_interrupt())

         BUG();

     //如果不是高端页面，直接返回

     if (page < highmem_start_page)

         return;

     //清除掉映射关系

     kunmap_high(page);

}

转入kunmap_high():

void fastcall kunmap_high(struct page *page)

{

     unsigned long vaddr;

     unsigned long nr;

     int need_wakeup;

 

     spin_lock(&kmap_lock);

     //取得页面的虚拟地址

     vaddr = (unsigned long)page_address(page);

     if (!vaddr)

         BUG();

     //将地址转换为序号

     // #define PKMAP_NR(virt)  ((virt-PKMAP_BASE) >> PAGE_SHIFT)

     nr = PKMAP_NR(vaddr);

     need_wakeup = 0;

     //计算引用计数

     switch (--pkmap_count[nr]) {

     case 0:

         BUG();

     case 1:

         //如果只有一个引用了，说明这页面是空闲的。看看是否有进程在等待

         //因为TLB刷新之后，会将其减1

         need_wakeup = waitqueue_active(&pkmap_map_wait);

     }

     spin_unlock(&kmap_lock);

 

//唤醒等待的进程

     if (need_wakeup)

         wake_up(&pkmap_map_wait);

}

三：临时内存映射

临时内存映射在内核中的接口为：kmap_atomic()/kunmap_atomic()。它映射的地址是从FIXADDR_START到FIXADDR_TOP的区域。其中，每个cpu都在里面占用了一段空间。

在内核中，enum fixed_addresses表示各种临时映射所占的序号。结构如下：

enum fixed_addresses {

     FIX_HOLE,

     FIX_VSYSCALL,

#ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC

     FIX_APIC_BASE,     /* local (CPU) APIC) -- required for SMP or not */

#else

     FIX_VSTACK_HOLE_1,

#endif

#ifdef CONFIG_X86_IO_APIC

     FIX_IO_APIC_BASE_0,

     FIX_IO_APIC_BASE_END = FIX_IO_APIC_BASE_0 + MAX_IO_APICS-1,

#endif

#ifdef CONFIG_X86_VISWS_APIC

     FIX_CO_CPU,   /* Cobalt timer */

     FIX_CO_APIC,  /* Cobalt APIC Redirection Table */

     FIX_LI_PCIA,  /* Lithium PCI Bridge A */

     FIX_LI_PCIB,  /* Lithium PCI Bridge B */

#endif

     FIX_IDT,

     FIX_GDT_1,

     FIX_GDT_0,

     FIX_TSS_3,

     FIX_TSS_2,

     FIX_TSS_1,

     FIX_TSS_0,

     FIX_ENTRY_TRAMPOLINE_1,

     FIX_ENTRY_TRAMPOLINE_0,

#ifdef CONFIG_X86_CYCLONE_TIMER

     FIX_CYCLONE_TIMER, /*cyclone timer register*/

     FIX_VSTACK_HOLE_2,

#endif

     FIX_KMAP_BEGIN,    /* reserved pte's for temporary kernel mappings */

     FIX_KMAP_END = FIX_KMAP_BEGIN+(KM_TYPE_NR*NR_CPUS)-1,

#ifdef CONFIG_ACPI_BOOT

     FIX_ACPI_BEGIN,

     FIX_ACPI_END = FIX_ACPI_BEGIN + FIX_ACPI_PAGES - 1,

#endif

#ifdef CONFIG_PCI_MMCONFIG

     FIX_PCIE_MCFG,

#endif

     __end_of_permanent_fixed_addresses,

     /* temporary boot-time mappings, used before ioremap() is functional */

#define NR_FIX_BTMAPS  16

     FIX_BTMAP_END = __end_of_permanent_fixed_addresses,

     FIX_BTMAP_BEGIN = FIX_BTMAP_END + NR_FIX_BTMAPS - 1,

     FIX_WP_TEST,

     __end_of_fixed_addresses

}

每一段序号都有自己的用途，例如APIC用，IDT用。FIX_KMAP_BEGIN与FIX_KMAP_END是分配给模块或者做做临时用途使用的。内核这样分配是为了保证同一个区不能有两上映射关系。我们在后面可以看到，如果一个区已经映射到了一个物理页面。如果再在这个区上建立映射关系，就会把它以前的映射覆盖掉。所以，内核应该根据具体的用途选择特定的序号，以免产生不可预料的错误。同时使用完临时映射之后应该立即释放当前的映射，这也是个良好的习惯.

FIX_KMAP_END的大小被定义成：FIX_KMAP_BEGIN+(KM_TYPE_NR*NR_CPUS)-1。也就是FIX_KMAP_BEGIN到FIX_KMAP_END的大小是KM_TYPE_NR*NR_CPUS.

KM_TYPE_NR的定义如下：

enum km_type {

     /*

      * IMPORTANT: don't move these 3 entries, be wary when adding entries,

      * the 4G/4G virtual stack must be THREAD_SIZE aligned on each cpu.

      */

     KM_BOUNCE_READ,

     KM_VSTACK_BASE,

     KM_VSTACK_TOP = KM_VSTACK_BASE + STACK_PAGE_COUNT-1,

 

     KM_LDT_PAGE15,

     KM_LDT_PAGE0 = KM_LDT_PAGE15 + 16-1,

     KM_USER_COPY,

     KM_VSTACK_HOLE,

     KM_SKB_SUNRPC_DATA,

     KM_SKB_DATA_SOFTIRQ,

     KM_USER0,

     KM_USER1,

     KM_BIO_SRC_IRQ,

     KM_BIO_DST_IRQ,

     KM_PTE0,

     KM_PTE1,

     KM_IRQ0,

     KM_IRQ1,

     KM_SOFTIRQ0,

     KM_SOFTIRQ1,

     KM_CRASHDUMP,

     KM_UNUSED,

     KM_TYPE_NR

}

在smp系统中，每个CPU都有这样的一段映射区域

kmap_pte：FIX_KMAP_BEGIN项所对应的页表项.它的初始化如下：

#define kmap_get_fixmap_pte(vaddr)                      \

     pte_offset_kernel(pmd_offset(pgd_offset_k(vaddr), (vaddr)), (vaddr))

 

void __init kmap_init(void)

{

     kmap_pte = kmap_get_fixmap_pte(__fix_to_virt(FIX_KMAP_BEGIN));

}

#define __fix_to_virt(x)    (FIXADDR_TOP - ((x) << PAGE_SHIFT))

了解上述关系之后，可以看具体的代码了：

void *kmap_atomic(struct page *page, enum km_type type)

{

     enum fixed_addresses idx;

     unsigned long vaddr;

 

     //如果页面不是高端内存

     inc_preempt_count();

     if (page < highmem_start_page)

         return page_address(page);

     //在smp中所对应的序号

     idx = type + KM_TYPE_NR*smp_processor_id();

     //在映射断中求取序号所在的虚拟地址

     vaddr = __fix_to_virt(FIX_KMAP_BEGIN + idx);

#ifdef CONFIG_DEBUG_HIGHMEM

     if (!pte_none(*(kmap_pte-idx)))

         BUG();

#endif

     //根据页面属性建立不同的页面项.并根据FIX_KMAP_BEGIN的页表项，求出序号所在的页表项

     if (PageReserved(page))

         set_pte(kmap_pte-idx, mk_pte(page, kmap_prot_nocache));

     else

         set_pte(kmap_pte-idx, mk_pte(page, kmap_prot));

     //在TLB中刷新这个地址

     __flush_tlb_one(vaddr);

 

     return (void*) vaddr;

}

我们在这个过程看中，并没有去判断一个区域有没有被映射。但这样也有一个好处，就是不会造成睡眠，因为它总有一个区域可供其映射。与永久内核映射相比，速度显得稍微要快一点。

临时内核映射的断开接口为：kunmap_atomic（）

void kunmap_atomic(void *kvaddr, enum km_type type)

{

//调试用，忽略

#ifdef CONFIG_DEBUG_HIGHMEM

     unsigned long vaddr = (unsigned long) kvaddr & PAGE_MASK;

     enum fixed_addresses idx = type + KM_TYPE_NR*smp_processor_id();

 

     if (vaddr < FIXADDR_START) { // FIXME

         dec_preempt_count();

         preempt_check_resched();

         return;

     }

 

     if (vaddr != __fix_to_virt(FIX_KMAP_BEGIN+idx))

         BUG();

 

     /*

      * force other mappings to Oops if they'll try to access

      * this pte without first remap it

      */

     pte_clear(kmap_pte-idx);

     __flush_tlb_one(vaddr);

#endif

 

     dec_preempt_count();

     preempt_check_resched();

}

我们在此看到，它并末对页面做特殊处理。

四总结：

     其实，不管是那样的方式，原理都是一样的，都是在固定映射区外选定一个地址，然后再修改PTE项，使其指向相应的page。特别值得我们注意的是，因为kmap()会引起睡眠，所以它不能用于中断处理。但每一种映射方式都有自己的优点和缺点，这需要我们在写代码的时候仔细考虑了。