vmalloc

前面说到kmalloc时基于slab分配器来实现的，其分配的物理内存时连续的，但是kmalloc一次分配的内存不能太大，现在说vmalloc，vmalloc分配的虚拟内存时连续的，其分配的区间为内存初始化时分配的从VMALLOC_START到VMALLOC_END区间，分配的虚拟内存时以PAGE_SIZE对齐的：

void *vmalloc(unsigned long size)
{
	return __vmalloc_node_flags(size, NUMA_NO_NODE,
				    GFP_KERNEL | __GFP_HIGHMEM);
}

vmalloc函数的调用关系为：

vmalloc()->__vmalloc_node_flags()->__vmalloc_node()->__vmalloc_node_range():

void *__vmalloc_node_range(unsigned long size, unsigned long align,
			unsigned long start, unsigned long end, gfp_t gfp_mask,
			pgprot_t prot, unsigned long vm_flags, int node,
			const void *caller)
{
	struct vm_struct *area;
	void *addr;
	unsigned long real_size = size;

	size = PAGE_ALIGN(size);------------------(1)
	if (!size || (size >> PAGE_SHIFT) > totalram_pages)
		goto fail;

	area = __get_vm_area_node(size, align, VM_ALLOC | VM_UNINITIALIZED |
				vm_flags, start, end, node, gfp_mask, caller);-------(2)
	if (!area)
		goto fail;

	addr = __vmalloc_area_node(area, gfp_mask, prot, node);--------------(4)
	if (!addr)
		return NULL;

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

	/*
	 * A ref_count = 2 is needed because vm_struct allocated in
	 * __get_vm_area_node() contains a reference to the virtual address of
	 * the vmalloc'ed block.
	 */
	kmemleak_alloc(addr, real_size, 2, gfp_mask);

	return addr;

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

（1）从这里可以看出vmalloc分配内存时以页大小对齐来分配的，即使之分配10Byte大小内存，实际也会分配一页。

（2）vmalloc的核心函数，主要用于初始化vm_struct结构体门后面将会讲到

（3）vmalloc核心函数，主要负责分配页面，并建立从虚拟地址到物理地址的映射

先看__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;

	BUG_ON(in_interrupt());
	if (flags & VM_IOREMAP)
		align = 1ul << clamp(fls(size), PAGE_SHIFT, IOREMAP_MAX_ORDER);

	size = PAGE_ALIGN(size);--------------(1)
	if (unlikely(!size))
		return NULL;

	area = kzalloc_node(sizeof(*area), gfp_mask & GFP_RECLAIM_MASK, node);--------(2)
	if (unlikely(!area))
		return NULL;

	if (!(flags & VM_NO_GUARD))
		size += PAGE_SIZE;

	va = alloc_vmap_area(size, align, start, end, node, gfp_mask);-----------------(3)
	if (IS_ERR(va)) {
		kfree(area);
		return NULL;
	}

	setup_vmalloc_vm(area, va, flags, caller);------------(4)

	return area;
}

（1）再次确认分配size为页对齐

（2）分配一个vmap_area结构体

（3）此函数比较复杂，涉及到红黑树等数据结构，主要用来从vmalloc area中去寻找一块合适的内存用于内存分配

（4）设置vm_struct以及vmap_area结构体

alloc_vmap_area()：

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);----------(1)
	if (unlikely(!va))
		return ERR_PTR(-ENOMEM);

	/*
	 * Only scan the relevant parts containing pointers to other objects
	 * to avoid false negatives.
	 */
	kmemleak_scan_area(&va->rb_node, SIZE_MAX, gfp_mask & GFP_RECLAIM_MASK);

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 ||
			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) {
		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 < addr)
			goto overflow;

	} else {
		addr = ALIGN(vstart, align);-------------(2)
		if (addr + size < addr)
			goto overflow;

		n = vmap_area_root.rb_node;---------(3)
		first = NULL;

		while (n) {
			struct vmap_area *tmp;
			tmp = rb_entry(n, struct vmap_area, rb_node);
			if (tmp->va_end >= addr) {----------(4)
				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) {-----------(5)
		if (addr + cached_hole_size < first->va_start)
			cached_hole_size = first->va_start - addr;
		addr = ALIGN(first->va_end, align);
		if (addr + size < addr)
			goto overflow;

		if (list_is_last(&first->list, &vmap_area_list))------------（6）
			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);-------------------(7)
	free_vmap_cache = &va->rb_node;
	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=<size> to increase size.\n", size);

#ifdef CONFIG_HTC_DEBUG_VMALLOC_DUMP
	if((last_dump_jiffies == 0) || time_is_before_jiffies(last_dump_jiffies + DUMP_VMALLOC_INTERVAL)) {
		dump_vmallocinfo();
		last_dump_jiffies = jiffies;
	}
#endif
	kfree(va);
	return ERR_PTR(-EBUSY);
}

（1）分配一个vmap_area结构体

（2）将初始地址设置为VMALLOC_START对齐到align后的地址

（3）从红黑树vmap_area_root开始搜索整个红黑树，找到满足要求的内存块，如果此红黑树没有节点，说明系统没有使用vmalloc分配内存空间。

（4）找到起始地址最小的内存块，由于此时addr为VMALLOC_START值，固此if语句会一直满足条件，直到找到最小的内存块且其左子节点为空，此时就找到满足要求的子节点。示意图如下：

（5）while循环负责从前面已经分配了的各vmalloc的区间中的缝隙是否有合适size用于满足当前内存分配要求，如果有则分配，如果没有则一直到所有已分配的内存模块的末尾分配size大小的内存。

（6）判断当前的vmlloc节点是否为vmap_area_list的最后一个节点，如果是则跳出循环，在此内存块后面分配内存，管理vmalloc已分配的内存块一个是vmap_area_root红黑树，还有一个是双向链表vmap_area_list。

（7）将新分配的vmalloc节点添加到红黑树中。

__vmalloc_area_node():

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

	nr_pages = get_vm_area_size(area) >> PAGE_SHIFT;---------（1）
	array_size = (nr_pages * sizeof(struct page *));---------（2）

	area->nr_pages = nr_pages;-----------（3）
	/* Please note that the recursion is strictly bounded. */
	if (array_size > PAGE_SIZE) {--------------（4）
		pages = __vmalloc_node(array_size, 1, nested_gfp|__GFP_HIGHMEM,
				PAGE_KERNEL, node, area->caller);
		area->flags |= VM_VPAGES;
	} else {
		pages = kmalloc_node(array_size, nested_gfp, node);
	}
	area->pages = pages;-----------（5）
	if (!area->pages) {
		remove_vm_area(area->addr);
		kfree(area);
		return NULL;
	}

	for (i = 0; i < area->nr_pages; i++) {----------（6）
		struct page *page;

		if (node == NUMA_NO_NODE)
			page = alloc_page(alloc_mask);
		else
			page = alloc_pages_node(node, alloc_mask, order);

		if (unlikely(!page)) {
			/* Successfully allocated i pages, free them in __vunmap() */
			area->nr_pages = i;
			goto fail;
		}
		area->pages[i] = page;--------------（7）
		if (gfp_mask & __GFP_WAIT)
			cond_resched();
	}

	if (map_vm_area(area, prot, pages))-------------（8）
		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;
}

（1）计算当前分配内存的页数。

（2）计算管理当前分配的页面所需要内存大小。

（3）vm_struct部分成员初始化，nr_pages表示结构体所管理的内存大小的页数。

（4）如果管理内存块所需要的内存大于一个页面就使用vmalloc_node分配，否则可以使用kmalloc分配。

（5）将内存管理区的首地址赋给vm_struct的pages成员，pages数组成员存放的是管理各内存页面的struct page的结构体的首地址。

（6）for循环使用alloc_pages分配页面。

（7）如（5）所述，将分配到的页面管理结构体struct page赋值给pages数组成员。

（8）建立所分配虚拟内存到物理内存的映射，由此可以看出vmalloc分配内存是在分配时建立的内存映射。

map_vm_area()->vmap_page_range_noflush():

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);
	pgd = pgd_offset_k(addr);-----------（1）
	do {
		next = pgd_addr_end(addr, end);
		err = vmap_pud_range(pgd, addr, next, prot, pages, &nr);
		if (err)
			return err;
	} while (pgd++, addr = next, addr != end);

	return nr;
}

（1）熟悉的节奏，和内存初始化建立虚拟内存到物理内存的映射原理一致，最后调用set_pte_at()将page的页帧号以及页面的属性填写到pte所在的地址里面。其中page到页帧号的转换流程为page->virtual address->pfn.

建立好虚拟地址到物理地址的映射后，到此vmalloc分配内存的流程结束