------------------------------------------ 本文系本站原创,欢迎转载! 转载请注明出处:http://ericxiao.cublog.cn/ ------------------------------------------ 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。 screen.width*0.7) {this.resized=true; this.width=screen.width*0.7; this.alt='Click here to open new window\nCTRL Mouse wheel to zoom in/out';}" onmouseover="if(this.width>screen.width*0.7) {this.resized=true; this.width=screen.width*0.7; this.style.cursor='hand'; this.alt='Click here to open new window\nCTRL Mouse wheel to zoom in/out';}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://blogimg.chinaunix.net/blog/upfile2/080227152653.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);" alt="" />  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 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)] 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) //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 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) 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 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 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。 |
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