【原创】(十二)Linux内存管理之vmap与vmalloc

LoyenWang 2019/12/1 21:10:13

背景y鲁迅y高尔基说明:版本:处理器,,双核使用工具:,概述在之前的系列文章中,分析到了的页框分配,的小块内存对象分配,这些分配的地址都是物理内存连续

背景

  • Read the fucking source code! --By 鲁迅
  • A picture is worth a thousand words. --By 高尔基

说明:

  1. Kernel版本:4.14
  2. ARM64处理器,Contex-A53,双核
  3. 使用工具:Source Insight 3.5, Visio

1. 概述

在之前的系列文章中,分析到了Buddy System的页框分配,Slub分配器的小块内存对象分配,这些分配的地址都是物理内存连续的。当内存碎片后,连续物理内存的分配就会变得困难,可以使用vmap机制,将不连续的物理内存页框映射到连续的虚拟地址空间中。vmalloc的分配就是基于这个机制来实现的。

还记得下边这张图吗?

vmap/vmalloc的区域就是在VMALLOC_START ~ VMALLOC_END之间。

开启探索之旅吧。

2. 数据结构

2.1 vmap_area/vm_struct

这两个数据结构比较简单,直接上代码:

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;
};

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 llist_node purge_list;    /* "lazy purge" list */
    struct vm_struct *vm;
    struct rcu_head rcu_head;
};

struct vmap_area用于描述一段虚拟地址的区域,从结构体中va_start/va_end也能看出来。同时该结构体会通过rb_node挂在红黑树上,通过list挂在链表上。
struct vmap_areavm字段是struct vm_struct结构,用于管理虚拟地址和物理页之间的映射关系,可以将struct vm_struct构成一个链表,维护多段映射。

关系如下图:

2.2 红黑树

红黑树,本质上是一种二叉查找树,它在二叉查找树的基础上增加了着色相关的性质,提升了红黑树在查找,插入,删除时的效率。在红黑树中,节点已经进行排序,对于每个节点,左侧的的元素都在节点之前,右侧的元素都在节点之后。
红黑树必须满足以下四条规则:

  1. 每个节点不是红就是黑;
  2. 红黑树的根必须是黑;
  3. 红节点的子节点必须为黑;
  4. 从节点到子节点的每个路径都包含相同数量的黑节点,统计黑节点个数时,空指针也算黑节点;

定义如下:

struct rb_node {
    unsigned long  __rb_parent_color;
    struct rb_node *rb_right;
    struct rb_node *rb_left;
} __attribute__((aligned(sizeof(long))));
    /* The alignment might seem pointless, but allegedly CRIS needs it */

由于内核会频繁的进行vmap_area的查找,红黑树的引入就是为了解决当查找数量非常多时效率低下的问题,在红黑树中,搜索元素,插入,删除等操作,都会变得非常高效。至于红黑树的算法操作,本文就不再深入分析,知道它的用途即可。

3. vmap/vunmap分析

3.1 vmap

vmap函数,完成的工作是,在vmalloc虚拟地址空间中找到一个空闲区域,然后将page页面数组对应的物理内存映射到该区域,最终返回映射的虚拟起始地址。

整体流程如下:

操作流程比较简单,来一个样例分析,就清晰明了了:

vmap调用中,关键函数为alloc_vmap_area,它先通过vmap_area_root二叉树来查找第一个区域first vm_area,然后根据这个first vm_area去查找vmap_area_list链表中满足大小的空间区域。

alloc_vmap_area函数中,有几个全局的变量:

static struct rb_node *free_vmap_cache;
static unsigned long cached_hole_size;
static unsigned long cached_vstart;
static unsigned long cached_align;

用于缓存上一次分配成功的vmap_area,其中cached_hole_size用于记录缓存vmap_area对应区域之前的空洞的大小。缓存机制当然也是为了提高分配的效率。

3.2 vunmap

vunmap执行的是跟vmap相反的过程:从vmap_area_root/vmap_area_list中查找vmap_area区域,取消页表映射,再从vmap_area_root/vmap_area_list中删除掉vmap_area,页面返还给伙伴系统等。由于映射关系有改动,因此还需要进行TLB的刷新,频繁的TLB刷新会降低性能,因此将其延迟进行处理,因此称为lazy tlb

来看看逆过程的流程:

4. vmalloc/vfree分析

4.1 vmalloc

vmalloc用于分配一个大的连续虚拟地址空间,该空间在物理上不连续的,因此也就不能用作DMA缓冲区。vmalloc分配的线性地址区域,在文章开头的图片中也描述了:VMALLOC_START ~ VMALLOC_END

直接分析调用流程:

从过程中可以看出,vmallocvmap的操作,大部分的逻辑操作是一样的,比如从VMALLOC_START ~ VMALLOC_END区域之间查找并分配vmap_area, 比如对虚拟地址和物理页框进行映射关系的建立。不同之处,在于vmap建立映射时,page是函数传入进来的,而vmalloc是通过调用alloc_page接口向Buddy System申请分配的。

  • vmalloc VS kmalloc
    到现在,我们应该能清楚vmallockmalloc的差异了吧,kmalloc会根据申请的大小来选择基于slub分配器或者基于Buddy System来申请连续的物理内存。而vmalloc则是通过alloc_page申请order = 0的页面,再映射到连续的虚拟空间中,物理地址不连续,此外vmalloc可以休眠,不应在中断处理程序中使用。
    vmalloc相比,kmalloc使用ZONE_DMA和ZONE_NORMAL空间,性能更快,缺点是连续物理内存空间的分配容易带来碎片问题,让碎片的管理变得困难。

4.2 vfree

直接上代码:

void vfree(const void *addr)
{
    BUG_ON(in_nmi());

    kmemleak_free(addr);

    if (!addr)
        return;
    if (unlikely(in_interrupt()))
        __vfree_deferred(addr);
    else
        __vunmap(addr, 1);
}

如果在中断上下文中,则推迟释放,否则直接调用__vunmap,所以它的逻辑基本和vunmap一致,不再赘述了。

随时随地学软件编程-关注百度小程序和微信小程序
关于找一找教程网

本站文章仅代表作者观点,不代表本站立场,所有文章非营利性免费分享。
本站提供了软件编程、网站开发技术、服务器运维、人工智能等等IT技术文章,希望广大程序员努力学习,让我们用科技改变世界。
[【原创】(十二)Linux内存管理之vmap与vmalloc]http://www.zyiz.net/tech/detail-96064.html

上一篇:闲来无事写了一套 Jenkins 主题样式:刀锋

下一篇:PL真有意思(八):其它程序设计模型

赞(0)

共有 条评论 网友评论

验证码: 看不清楚?
    关注微信小程序
    程序员编程王-随时随地学编程

    扫描二维码或查找【程序员编程王】

    可以随时随地学编程啦!

    技术文章导航 更多>
    扫一扫关注最新编程教程