linux内存管理之vmalloc

     在前面我们讲解了kmalloc申请连续物理内存的操作，以及原理和基础cache . 在内核中还有另外一个接口函数那就是vmalloc，申请一片连续的虚拟地址空间，但不保证物理空间连续，实际上我们会想到用户空间的malloc，malloc它是标准的glibc封装的一个函数，最终实现是通过系统调用brk和mmap来实现，以后在分析它的实现过程. 它就是申请连续的虚拟空间，但是不保证物理内存的连续，当然用户程序也不怎么关心这个问题，只所以会关心物理内存的连续性一般是由于设备驱动的使用，或者DMA.  但是vmalloc申请效率比较低，还会造成TLB抖动. 一般内核里常用kmalloc. 除非特殊需求，比如要获取大块内存时，实例就是当ko模块加载到内核运行时，即需要vmalloc. 
释放函数：vfree 
参考内核  3.8.13
  这里是说32位的处理器，即最大寻址4G虚拟空间，（当然现在已经64位比较普及了，后续补上吧）而虚拟地址到物理地址的转化往往需要硬件的支持才能提高效率，即MMU。
当然前提需要os先建立页表PT. 在linux内核，这4G空间并不是完全给用户空间使用在高端0xC0000000 （3G开始）留给内核空间使用（x86默认配置，默认0-16M（DMA），16M-896M（Normal），896M-1G（128M）作为高端内存分配区域），当然这个区域也是可是配置的.）.
kmalloc函数返回的是虚拟地址(). kmalloc特殊之处在于它分配的内存是物理上连续的,这对于要进行DMA的设备十分重要. 而用vmalloc分配的内存只是连续,物理地址不一定连续,不能直接用于DMA。我们可以参考一个图：（它是arm 32架构的内核虚拟地址分配图）

下面我们就看看vmalloc函数：(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, -1, GFP_KERNEL | __GFP_HIGHMEM);
}

这里我们只用关注size即可，而vmalloc优先从高端内存分配，并且可以睡眠.
继续：

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));
}

重点看一下__vmalloc_node:

/**
 *    __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 -1
 *    @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);
}

因为这里提到了VMALLOC_START和ＶＭＡＬＬＯＣ＿ＥＮＤ它们究竟是什么值呢？
这里看了arm32和mips32的（根据架构虚拟地址分配不同而不同，比如mips就比较特殊）：
在arch/mips/include/asm/pgtable-32.h中
首先看mips虚拟地址分布图：

从这个图里我们知道用户空间为2G（0x0-0x7fff ffff）,dma或者normal内存映射在kseg0（512M）/kseg1,而对于vmalloc申请的虚拟地址在kseg2中，当然还有其他一些特殊的映射比如io等.

#define VMALLOC_START     MAP_BASE

#define PKMAP_BASE        (0xfe000000UL)

#ifdef CONFIG_HIGHMEM
# define VMALLOC_END    (PKMAP_BASE-2*PAGE_SIZE)
#else
# define VMALLOC_END    (FIXADDR_START-2*PAGE_SIZE)
#endif

在arch/arm/include/asm/pgtable.h

/*
 * Just any arbitrary offset to the start of the vmalloc VM area: the
 * current 8MB value just means that there will be a 8MB "hole" after the
 * physical memory until the kernel virtual memory starts. That means that
 * any out-of-bounds memory accesses will hopefully be caught.
 * The vmalloc() routines leaves a hole of 4kB between each vmalloced
 * area for the same reason. ;)
 */
#define VMALLOC_OFFSET        (8*1024*1024)
#define VMALLOC_START        (((unsigned long)high_memory + VMALLOC_OFFSET) & ~(VMALLOC_OFFSET-1))
#define VMALLOC_END        0xff000000UL

在看一个图：

我们知道物理内存简单分为三个区域：ZONE_NORMAL、ZONE_DMA、ZONE_HIGHMEM
vmalloc我们看到它是默认从ZONE_HIGMEM里申请，但是这两个函数虚拟地址是保持一致的，即都占用了4G地址空间的内核虚拟地址.通过上面的图，我们确定了虚拟地址从哪里分配，以及对于的物理空间从哪里分配。
下面看看 vmalloc核心实现：

/**
 *    __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 -1
 *    @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;

    area = __get_vm_area_node(size, align, VM_ALLOC | VM_UNLIST,    // 分配虚拟地址空间 把vm_struct 和vm_area(红黑树机制)关联起来.
                  start, end, node, gfp_mask, caller);
    if (!area)
        goto fail;

    addr = __vmalloc_area_node(area, gfp_mask, prot, node, caller);  //计算需要申请的页面，申请page，然后修改页表完成映射.
    if (!addr)
        return NULL;

    /*
     * In this function, newly allocated vm_struct is not added
     * to vmlist at __get_vm_area_node(). so, it is added here.
     */
    insert_vmalloc_vmlist(area);     //把vm_struct插入 全局vmlist链表

    /*
     * 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);    //内存泄露追踪

    return addr;

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

它的基本实现思路很简单：
1. 分配虚拟地址空间 
2.对虚拟地址空间进行页表映射

需要熟知 下面两个结构体：
struct vmap_area

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;
};

vm_struct *area ：

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;
};

这里在说明一下vmalloc_init的初始化.

/*
 * 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();
}

其实在讲slab机制的时候已经说过。

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;

        vbq = &per_cpu(vmap_block_queue, i);
        spin_lock_init(&vbq->lock);
        INIT_LIST_HEAD(&vbq->free);
    }

    /* Import existing vmlist entries. */
    for (tmp = vmlist; tmp; tmp = tmp->next) {                     // 在系统启动或者初始化之初，vmlist为空.
        va = kzalloc(sizeof(struct vmap_area), GFP_NOWAIT);
        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;
}

下面就说说__get_vm_area_node函数：

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;

    BUG_ON(in_interrupt());
    if (flags & VM_IOREMAP) { // ioremap标志，映射的是设备内存
        int bit = fls(size);

        if (bit > IOREMAP_MAX_ORDER)
            bit = IOREMAP_MAX_ORDER;
        else if (bit < PAGE_SHIFT)
            bit = PAGE_SHIFT;

        align = 1ul << bit;
    }

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

    area = kzalloc_node(sizeof(*area), gfp_mask & GFP_RECLAIM_MASK, node);
    if (unlikely(!area))
        return NULL;

    /*
     * We always allocate a guard page.
     */
    size += PAGE_SIZE; // 多偏移一页，为了防止访问越界，由于多出来的一页并不映射，所以当访问的时候，会引发保护异常.

    va = alloc_vmap_area(size, align, start, end, node, gfp_mask);        // 申请vm_area虚拟地址空间
    if (IS_ERR(va)) {
        kfree(area);
        return NULL;
    }

    /*
     * When this function is called from __vmalloc_node_range,
     * we do not add vm_struct to vmlist here to avoid
     * accessing uninitialized members of vm_struct such as
     * pages and nr_pages fields. They will be set later.
     * To distinguish it from others, we use a VM_UNLIST flag.
     */
    if (flags & VM_UNLIST)   // 必然走这里
        setup_vmalloc_vm(area, va, flags, caller);  // 关联vm_struct 和 vm_area
    else
        insert_vmalloc_vm(area, va, flags, caller);

    return area;
}

这个函数核心就是alloc_vmap_area，这个很有趣的，之前我们讲到了vmalloc申请的虚拟地址范围，而它只传递了size而已，对于mips，x86，arm会有不同的虚拟空间.

/*
 * 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;

    BUG_ON(!size);
    BUG_ON(size & ~PAGE_MASK);
    BUG_ON(!is_power_of_2(align));

    va = kmalloc_node(sizeof(struct vmap_area),
            gfp_mask & GFP_RECLAIM_MASK, node);
    if (unlikely(!va))
        return ERR_PTR(-ENOMEM);

retry:
    spin_lock(&vmap_area_lock);
    /*
     * Invalidate cache if we have more permissive parameters.
     * cached_hole_size notes the largest hole noticed _below_
     * the vmap_area cached in free_vmap_cache: if size fits
     * into that hole, we want to scan from vstart to reuse
     * the hole instead of allocating above free_vmap_cache.
     * Note that __free_vmap_area may update free_vmap_cache
     * without updating cached_hole_size or cached_align.
     */
    if (!free_vmap_cache ||                              //第一次调用的时候 free_vmap_cache为空，后来即后边的代码line 105 ： free_vmap_cache = &va->rb_node; 一般不为空 ；一般会发                                                           // 生align < cached_align的情况,即会清除free_vmap_cache。有时候align比较大的时候，它会跳过一段虚拟地址空间.后面的申请由于没                                                            //有free_vmap_cache，所以它需要重新查询
            size < cached_hole_size ||
            vstart < cached_vstart ||
            align < cached_align) {
nocache:
        cached_hole_size = 0;
        free_vmap_cache = NULL;
    }
    /* record if we encounter less permissive parameters */
    cached_vstart = vstart;
    cached_align = align;

    /* find starting point for our search */
    if (free_vmap_cache) {                                                  // 第一次使用的时候为空；当不为空时，它保持上次申请的节点，并初始化addr为va_end.
        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;                               // 同样vmap_area_root.rb_node; 初始化也为空，第一次使用为空
        first = NULL;

        while (n) {                                               // 当不是第一申请，并且free_cache为空的时候， 需要重新找到根节点即va_start <= addr
            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 */
    while (addr + size > first->va_start && addr + size <= vend) {                // 当不是第一申请，并且free_cache为空的时候,查询红黑树节点，找到合适的空间地址.
        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))     // 默认不会在这里操作。也就是说它没有元素.
            goto found;

        first = list_entry(first->list.next,
                struct vmap_area, list);
    }

found:
    if (addr + size > vend)
        goto overflow;

    va->va_start = addr;
    va->va_end = addr + size;
    va->flags = 0;
    __insert_vmap_area(va);                           // 添加到红黑树 vmap_area_root
    free_vmap_cache = &va->rb_node;                  // 初始化free_vmap_cache ，它会影响后续虚拟空间的申请.
    spin_unlock(&vmap_area_lock);

    BUG_ON(va->va_start & (align-1));
    BUG_ON(va->va_start < vstart);
    BUG_ON(va->va_end > vend);

    return va;

overflow:
    spin_unlock(&vmap_area_lock);
    if (!purged) {
        purge_vmap_area_lazy();
        purged = 1;
        goto retry;
    }
    if (printk_ratelimit())
        printk(KERN_WARNING
            "vmap allocation for size %lu failed: "
            "use vmalloc= to increase size.\n", size);
    kfree(va);
    return ERR_PTR(-EBUSY);
}

既然我们已经开辟了虚拟地址空间，那么还需要做的当然是和页面一一映射起来.
看函数__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;

    nr_pages = (area->size - PAGE_SIZE) >> PAGE_SHIFT; //申请多少pages
    array_size = (nr_pages * sizeof(struct page *));   //需要多大的存放page指针的空间 .

    area->nr_pages = nr_pages;
    /* Please note that the recursion is strictly bounded. */
    if (array_size > PAGE_SIZE) {                          // 这里默认page_size 为4k 即4096 ，地址32位的话，相当于申请1024个pages：4M空间
        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);    // 小于一页，则直接利用slab机制申请物理空间地址 给pages.
    }
    area->pages = pages;
    area->caller = caller;
    if (!area->pages) {
        remove_vm_area(area->addr);
        kfree(area);
        return NULL;
    }

    for (i = 0; i < area->nr_pages; i++) {              //  每次申请一个page利用alloc_page直接申请物理页面
        struct page *page;
        gfp_t tmp_mask = gfp_mask | __GFP_NOWARN;

        if (node < 0)
            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;             // 分配的地址存放在指针数组.
    }

    if (map_vm_area(area, prot, &pages)) // 修改页表 ,一页一页的实现映射，以及flush cache保持数据的一致性；对页面映射和操作感兴趣的可以深入看看这个函数.
        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;
}

而insert_vmalloc_vmlist很明显把vm_struct插入到vmlist。
那么就完成了整个过程，没有想象的复杂，当然对内存有了更多的认识，这里还需要说一下，一般情况下有高端内存会比没有的好些，防止了vmalloc申请的时候造成的TLB抖动等问题，更少的破坏normal空间。
可以通过proc来查看vmalloc的一下信息：

cat /proc/vmallocinfo
0xc0002000-0xc0045000  274432 jffs2_zlib_init+0x24/0xa4 pages=66 vmalloc
0xc0045000-0xc0051000   49152 jffs2_zlib_init+0x40/0xa4 pages=11 vmalloc
0xc0051000-0xc0053000    8192 brcmnand_create_cet+0x244/0x788 pages=1 vmalloc
0xc0053000-0xc0055000    8192 ebt_register_table+0x98/0x39c pages=1 vmalloc

还有：

# cat /proc/vmstat
#cat /proc/meminfo