轉載自:
http://blog.csdn.net/gxfan/article/details/2723455
http://blog.csdn.net/xiaojsj111/article/details/11817587
http://blog.csdn.net/decload/article/details/8080533
內存申請函數解析
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1、 kmalloc()是內核中最常見的內存分配方式,它最終調用夥伴系統的__get_free_pages()函數分配,根據傳遞給這個函數的flags參數,決定這個函數的分配適合什麼場合,如果標誌是GFP_KERNEL則僅僅可以用於進程上下文中,如果標誌GFP_ATOMIC則可以用於中斷上下文或者持有鎖的代碼段中。
kmalloc返回的線形地址是直接映射的,而且用連續物理頁滿足分配請求,且內置了最大請求數(2**5=32頁)。
2、
kmap()是主要用在高端存儲器頁框的內核映射中,一般是這麼使用的:
使用alloc_pages()在高端存儲器區得到struct page結構,然後調用kmap(struct *page)在內核地址空間PAGE_OFFSET+896M之後的地址空間中(PKMAP_BASE到FIXADDR_STAR)建立永久映射(如果page結構對應的是低端物理內存的頁,該函數僅僅返回該頁對應的虛擬地址)
kmap()也可能引起睡眠,所以不能用在中斷和持有鎖的代碼中
不過kmap 只能對一個物理頁進行分配,所以儘量少用。
3、 vmalloc優先使用高端物理內存,但性能上會打些折扣。
vmalloc分配的物理頁不會被交換出去;
vmalloc返回的虛地址大於(PAGE_OFFSET + SIZEOF(phys memory) + GAP),爲VMALLOC_START----VMALLOC_END之間的線形地址;
vmalloc使用的是vmlist鏈表,與管理用戶進程的vm_area_struct要區別,而後者會swapped;
4、
使用kmap的原因:
對於高端物理內存(896M之後),並沒有和內核地址空間建立一一對應的關係(即虛擬地址=物理地址+PAGE_OFFSET這樣的關係),所以不能使用get_free_pages()這樣的頁分配器進行內存的分配,而必須使用alloc_pages()這樣的夥伴系統算法的接口得到struct *page結構,然後將其映射到內核地址空間,注意這個時候映射後的地址並非和物理地址相差PAGE_OFFSET.
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kmap的實現分析
- <span style="font-size:24px">void *kmap(struct page *page)
- {
- might_sleep();
- if (!PageHighMem(page)){//如果是低端內存,則直接返內存頁對應的直接映射虛擬地址
- //printk("low mem page\n");
- return page_address(page);//所有的低端內存,在內核初始化時就已經映射好了,並且是不變得,且物理到虛擬相差0xc0000000
- }else{
- //printk("high mem page\n");
- }
- return kmap_high(page);//高端內存頁
- }</span>
- <span style="font-size:24px">/**
- * kmap_high - map a highmem page into memory
- * @page: &struct page to map
- *
- * Returns the page's virtual memory address.
- *
- * We cannot call this from interrupts, as it may block.
- */
- void *kmap_high(struct page *page)
- {
- unsigned long vaddr;
- /*
- * For highmem pages, we can't trust "virtual" until
- * after we have the lock.
- */
- lock_kmap();
- vaddr = (unsigned long)page_address(page);
- if (!vaddr)//如果該頁的映射還未建立
- vaddr = map_new_virtual(page);//開始建立新的映射
- pkmap_count[PKMAP_NR(vaddr)]++;//該數組的值爲1,說明映射已經建立,爲2表明該應聲存在着引用
- BUG_ON(pkmap_count[PKMAP_NR(vaddr)] < 2);
- unlock_kmap();
- return (void*) vaddr;
- }</span>
- <span style="font-size:24px">static inline unsigned long map_new_virtual(struct page *page)
- {
- unsigned long vaddr;
- int count;
- start:
- count = LAST_PKMAP; // 2MB/4096KB=512 entries = <span style="font-family:Arial,Helvetica,sans-serif">LAST_PKMAP</span>
- /* Find an empty entry */
- for (;;) {
- last_pkmap_nr = (last_pkmap_nr + 1) & LAST_PKMAP_MASK;
- if (!last_pkmap_nr) {
- flush_all_zero_pkmaps();
- count = LAST_PKMAP;
- }
- if (!pkmap_count[last_pkmap_nr])//爲0,說明該虛擬地址不存在映射,沒人使用
- break; /* Found a usable entry */
- if (--count)//如果遍歷了整個kmap虛擬空間,都不能找到空閒的虛擬地址,則休眠等待unkmap釋放虛擬地址
- continue;
- /*
- * Sleep for somebody else to unmap their entries
- */
- {
- DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);
- __set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
- add_wait_queue(&pkmap_map_wait, &wait);
- unlock_kmap();
- schedule();
- remove_wait_queue(&pkmap_map_wait, &wait);
- lock_kmap();
- /* Somebody else might have mapped it while we slept */
- if (page_address(page))
- return (unsigned long)page_address(page);
- /* Re-start */
- goto start;
- }
- }
- vaddr = PKMAP_ADDR(last_pkmap_nr);<span style="font-family:Arial,Helvetica,sans-serif">//#define PKMAP_ADDR(nr)</span><span style="font-family:Arial,Helvetica,sans-serif"> </span><span style="font-family:Arial,Helvetica,sans-serif">(PKMAP_BASE + ((nr) << PAGE_SHIFT))</span>
- set_pte_at(&init_mm, vaddr,
- &(pkmap_page_table[last_pkmap_nr]), mk_pte(page, kmap_prot));
- pkmap_count[last_pkmap_nr] = 1;
- set_page_address(page, (void *)vaddr);
- return vaddr;
- }</span>
上面代碼中的pkmap_page_table是kmap所對應的虛擬地址[PKMAP_BASE,PAGE_OFFSET]所對應的二級映射表,即pte table,該映射表剛好是4KB用來映射2MB的虛擬到物理地址
- <span style="font-size:24px">static void __init kmap_init(void)
- {
- #ifdef CONFIG_HIGHMEM</span>
- <span style="font-size:24px"> //獲取kmap所對應的虛擬地址[PKMAP_BASE,PAGE_OFFSET]所對應的二級映射表的開始地址。該二級映射表剛好就是一個物理頁的大小
- pkmap_page_table = early_pte_alloc_and_install(pmd_off_k(PKMAP_BASE),
- PKMAP_BASE, _PAGE_KERNEL_TABLE);
- printk("************************************************\n");
- printk("pkmap_page_table:%x, phy of pkmap_page_table:%x\n",pkmap_page_table,virt_to_phys(pkmap_page_table));
- printk("************************************************\n");
- #endif
- }
- </span>
- <span style="font-size:24px">static pte_t * __init early_pte_alloc_and_install(pmd_t *pmd,
- unsigned long addr, unsigned long prot)
- {
- if (pmd_none(*pmd)) {//如果一級頁表項無效,即還未分配該表項所指向二級頁表,即pte table
- pte_t *pte = early_pte_alloc(pmd);//分配二級頁表,即pte tabble
- early_pte_install(pmd, pte, prot);//將pte table的hw/pte page0,<span style="font-family:Arial,Helvetica,sans-serif">hw/pte page1分別填充到一級頁表項的低4byte和高4byte</span>
- }
- BUG_ON(pmd_bad(*pmd));
- return pte_offset_kernel(pmd, addr);//返回二級頁表中對應的頁表項地址。
- }
- </span>
以上過程,具體見下圖的映射關係圖1
kmap的實驗
- <span style="font-size:24px">#include <linux/module.h>
- #include <linux/init.h>
- #include <linux/mm.h>
- #include <linux/fs.h>
- #include <linux/types.h>
- #include <linux/delay.h>
- #include <linux/moduleparam.h>
- #include <linux/slab.h>
- #include <linux/errno.h>
- #include <linux/ioctl.h>
- #include <linux/cdev.h>
- #include <linux/string.h>
- #include <linux/list.h>
- #include <linux/pci.h>
- #include <linux/gpio.h>
- #include <linux/gfp.h>
- #include <asm/highmem.h></span>
- <span style="font-size:24px">struct page * map_high_mem(int order)
- {
- int i=0;
- static int poison = 0x5a;
- unsigned char *buf = NULL;
- struct page *high_page = alloc_pages(__GFP_HIGHMEM,order); //指定可以從高端內存分配物理空閒頁
- //struct page *high_page = alloc_pages(GFP_HIGHUSER,order);
- if(high_page){
- printk("high_page alloc success\n");
- }else{
- printk("high_page alloc failed\n");
- }
- buf = kmap(high_page);//爲該高端內存頁,建立臨時映射,該函數可能休眠
- if(buf){
- printk("kmap success,buf addr:%x\n",buf);//如果映射成功,返回影射後的虛擬地址
- for(i=0;i<4096;i++)
- buf[i] = poison;
- poison++;
- }else{
- printk("kmap failed\n");
- }
- return high_page;
- }
- void free_high_mem(struct page *page,int order)
- {
- kunmap(page);//拆除映射
- __free_pages(page,order);//釋放對應物理頁
- }</span>
- <span style="font-size:24px">struct page *page_array[5];
- #define NUM_ORDER 0
- static int __init dev_init(void)
- {
- int ret;
- int i;
- /*************************************************************/
- i = 0;
- page_array[i++] = map_high_mem(NUM_ORDER);//連續分配,映射三個物理頁
- page_array[i++] = map_high_mem(NUM_ORDER);
- page_array[i++] = map_high_mem(NUM_ORDER);
- printk("module address,page_array:0x%x\n",page_array);
- return ret;
- }</span>
- <span style="font-size:24px">static void __exit dev_exit(void)
- {
- int i = 0;
- free_high_mem(page_array[i++],NUM_ORDER);
- free_high_mem(page_array[i++],NUM_ORDER);
- free_high_mem(page_array[i++],NUM_ORDER);
- }
- module_init(dev_init);
- module_exit(dev_exit);
- MODULE_LICENSE("GPL");
- MODULE_AUTHOR("LKN@SCUT");</span>
以上是我們的測試代碼,代碼編譯,加載執行。
[ 0.000000] pkmap_page_table:ef7fc000, phy of pkmap_page_table:2f7fc000(759MB)
[ 0.000000] ************************************************
[ 83.289132] kernel buffer virtial address:ee155000
[ 83.293936] kernel buffer physical address:2e155000
[ 83.298801] high_page alloc success
[ 83.302264] kmap success,buf addr:bfeee000------------->(a) //第一次kmap映射返回的虛擬地址,將該頁都初始化爲0x5a
[ 83.306393] high_page alloc success
[ 83.309809] kmap success,buf addr:bfeef000------------->(b) //第二次kmap映射返回的虛擬地址,將該頁都初始化爲0x5b
[ 83.313990] high_page alloc success
[ 83.317414] kmap success,buf addr:bfef0000------------->(c) //第三次kmap映射返回的虛擬地址,將該頁都初始化爲0x5c
2f7fc000 + 1024*2(800) + 238*4(3b8) = 2F7FCBB8(二級映射表項的物理地址)
case b: bfeef000---------->37b0c000
2f7fc000 + 1024*2(800) + 238*4(3bc) = 2F7FCBBC(二級映射表項的物理地址)
case c: bfef0000---------->37b0b000
2f7fc000 + 1024*2(800) + 240*4(3C0) = 2F7FCBC0(二級映射表項的物理地址)
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Linux內核中分配頁面使用了以下六個函數:
alloc_pages(gfp_mask, order):用這個函數請求2order 個連續的頁框。他返回第一個所分配頁框描述符的地址,或者如果失敗,則返回NULL。
alloc_page(gfp_mask):用於獲得一個單獨頁框的宏,它其實只是alloc_pages(gfp_mask, 0)。它返回所分配頁框描述符的地址,或者如果分配失敗,則返回NULL。
__get_free_pages(gfp_mask, order):該函數類似於alloc_pages( ),只不過它返回第一個所分配頁對應的內存線性地址。
__get_free_page(gfp_mask):用於獲得一個單獨頁框的宏,它也只是__get_free_pages(gfp_mask, 0)
get_zeroed_page(gfp_mask):函數用來獲取滿是0的頁面,它調用alloc_pages(gfp_mask | __GFP_ZERO, 0),然後返回所獲取頁框的線性地址。
__get_dma_pages(gfp_mask, order):該宏獲取用於DMA的頁框,它擴展調用__get_free_pages(gfp_mask | _ _GFP_DMA, order)。
這六個函數之間的調用關係如下:
所以這六個函數最後調用的還是alloc_pages(),接下來就只需要研究alloc_pages()這個函數。
而alloc_pages調用過程爲:
alloc_pages()
--> alloc_pages_node()
--> __alloc_pages()
--> __alloc_pages_nodemask()
--> get_page_from_freelist()
--> buffered_rmqueue()
--> __rmqueue()
具體爲:
在include/linux/gfp.h中有這定義:
- #define alloc_pages(gfp_mask, order) \
- alloc_pages_node(numa_node_id(), gfp_mask, order)
其中numa_node_id() 返回0,指的是第0個節點。
之後的函數解析參考:(很詳細)文章
轉載:Linux夥伴系統(三)--分配頁