Linux内存管理之高端内存映射

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。

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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