内核 kmap_atomic分析

主要谈三个问题。

1、为什么会有这个函数？

我想主要的原因就是kmap_atomic在效率上要比kmap提升不少。

在kmap函数中，会有如下几个比较耗时的部分：

1）、page_address函数
2）、Sleep for somebody else to unmap their entries
代码如下：
171 ____________DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);
173 ______________set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
174____________add_wait_queue(&pkmap_map_wait,&wait);                                                                          
175 ____________unlock_kmap();
176 ____________schedule();
177 ____________remove_wait_queue(&pkmap_map_wait, &wait);
3）、lock_kmap函数，需要加锁啊！！！
相反kmap_atomic函数，从名字就能看出，原子操作一气呵成。。没有sleep，没有锁。

2、怎么实现的？需要考虑什么问题？

首先得知道这个函数的主要目的是实现page 到 vaddr的转化。
其次我们得考虑多cpu和多任务，大家知道     kernel可以在多个cpu上同时运行不同的task，然而它们共同使用一个内存地址空间，因此如何能保证N个cpu调用kmap_atomic不会将page映射到一个虚拟地址（vaddr）呢？

我们来看看kmap_atomic是如何实现的？

1）、定义一个percpu变量__kmap_atomic_idx，同时在当前cpu上禁用抢占，直到unmap的时候才开启，这样就保证了同一cpu其它任务不会调用该函数。除非该进程在unmap之前睡眠，如果真的那样，别的进程就很可能在同一cpu重入kmap_atomic函数了，然后就可能映射到同一虚拟地址，因此在原子映射期间最好不要休眠。
2）、设计了一个完美的公式

    type = kmap_atomic_idx_push();  //递增一个percpu变量，返回递增后的结果，增加一个计算type的函数表示kmap_atomic函数可以重入，就是上面说的该进程在unmap之前睡眠情况，但一般情况下不会发生冲入，所以该值应该是1，unmap时该值会--。当然重入的次数是有限制的，不会超过KM_TYPE_NR。
    idx = type + KM_TYPE_NR*smp_processor_id();//不同的cpusmp_processor_id()的值是不同的，因此，不同的cpu得到的idx不同。
    vaddr = __fix_to_virt(FIX_KMAP_BEGIN + idx);//不同的idx得到的vaddr就不同了。
    set_pte(kmap_pte-idx, mk_pte(page, prot)); //设置页表
    return (void *)vaddr;

总结，通过percpu变量+禁抢占+加计算公式，就实现了，不同cpu的不同进程调用kmap_atomic函数得到的vaddr是不同的。同时这也给我们实现atomic提供了一种思路，实际上atomic一般都会有一个percpu变量。

3、得到vaddr之后，页表的建立。
我们就以arm为例，来说明一下，arm初始化的时候，会通过create_mapping来创建一些页表，比如map_lowmem就会调用create_mapping函数来建立整个低端内存的映射。

同样地在函数devicemaps_init中会有如下代码：
 967 ____map.pfn = __phys_to_pfn(virt_to_phys(vectors_page));
 968 ____map.virtual = 0xffff0000;
 969 ____map.length = PAGE_SIZE;
 970 ____map.type = MT_HIGH_VECTORS;
 971 ____create_mapping(&map);
这里有一点需要说明一点，虽然只映射了一个PAGE_SIZE，但是如果内核采用的二级页表(即存在pgd，pte），而不是一级页表（只有pgd）的话，会在create_mapping函数中，分配512个pte项（即512个pte指针ptep），远远大于KM_TYPE_NR个数。但是如果采用一级页表的话，这就会有问题，这种情况应该不能用kmap_atomic函数，因为通过TOP_PTE(vaddr)宏是得不到ptep的，因此目前代码中有如下保护：
 67 #ifdef CONFIG_DEBUG_HIGHMEM
 68 ____/*
 69 ____ * With debugging enabled, kunmap_atomic forces that entry to 0.
 70 ____ * Make sure it was indeed properly unmapped.
 71 ____ */
 72____BUG_ON(!pte_none((TOP_PTE(vaddr))));                                                                                    
 73 #endif
 
由此，我们可以看到kmap_atomic使用的是地址空间顶部的一小段地址空间（0xffff0000开始），内核逻辑将这一小段地址空间分成了若干个节（slot），每一节的大小是一个page的大小，可以用来映射一个page。虽然总共可用512个slot，但是只能用KM_TYPE_NR个，有点遗憾！！！