Linux 內(nèi)存管理之vmalloc

走進(jìn)vmalloc

根據(jù)前面的系列文章，我們知道了buddy system是基于頁(yè)框分配器，kmalloc是基于slab分配器，而且這些分配的地址都是物理內(nèi)存連續(xù)的。但是隨著碎片化的積累，連續(xù)物理內(nèi)存的分配就會(huì)變得困難，對(duì)于那些非DMA訪問(wèn)，不一定非要連續(xù)物理內(nèi)存的話完全可以像malloc那樣，將不連續(xù)的物理內(nèi)存頁(yè)框映射到連續(xù)的虛擬地址空間中，這就是vmap的來(lái)源）（提供把離散的page映射到連續(xù)的虛擬地址空間），vmalloc的分配就是基于這個(gè)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

vmalloc最小分配一個(gè)page，并且分配到的頁(yè)面不保證是連續(xù)的，因?yàn)関malloc內(nèi)部調(diào)用alloc_page多次分配單個(gè)頁(yè)面。

vmalloc的區(qū)域就是在上圖中VMALLOC_START - VMALLOC_END之間，可通過(guò)/proc/vmallocinfo查看。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

• vmap_area 描述一段虛擬地址的區(qū)域，可以將struct vm_struct構(gòu)成一個(gè)鏈表，維護(hù)多段映射。

struct vmap_area {
 unsigned long va_start; //vmalloc申請(qǐng)?zhí)摂M地址返回的起始地址
 unsigned long va_end; //vmalloc申請(qǐng)申請(qǐng)?zhí)摂M地址返回的結(jié)束地址
 unsigned long flags;
  //掛接到vmap_area_root紅黑樹(shù)
 struct rb_node rb_node;         /* address sorted rbtree */
  //掛接到vmap_area_list鏈表
 struct list_head list;          /* address sorted list */
 struct llist_node purge_list;    /* "lazy purge" list */
 //如果當(dāng)前VA處于使用狀態(tài)(即在vmap_area_root為根的紅黑樹(shù)中和vmap_area_list鏈表中)，vm有效，指向用于管理虛擬地址和物理頁(yè)之間的映射關(guān)系的描述符
 struct vm_struct *vm;
 struct rcu_head rcu_head;
};

• vm_struct 管理虛擬地址和物理頁(yè)之間的映射關(guān)系

struct vm_struct {
 struct vm_struct *next; //指向下一個(gè)vm結(jié)構(gòu)體
 void   *addr; //當(dāng)前vmalloc區(qū)域的虛擬地址的起始地址
 unsigned long  size; //當(dāng)前vmalloc區(qū)域的虛擬地址的大小
 unsigned long  flags;
 //vamlloc分配獲取的各個(gè)物理頁(yè)面并是不連續(xù)的，每個(gè)物理頁(yè)面用struct page描述，一個(gè)vm_struct對(duì)用到的管理所有物理頁(yè)面的struct page構(gòu)成一個(gè)數(shù)組，而pages就是指向這個(gè)數(shù)組的指針。
 struct page  **pages;
 unsigned int  nr_pages; //vmalloc映射的page數(shù)目
 phys_addr_t  phys_addr; //用來(lái)映射硬件設(shè)備的IO共享內(nèi)存，其他情況下為0
 const void  *caller; //調(diào)用vmalloc函數(shù)的函數(shù)的地址
};

vmalloc

主要分以下三步：

1. 從VMALLOC_START到VMALLOC_END查找空閑的虛擬地址空間(hole)
2. 根據(jù)分配的size,調(diào)用alloc_page依次分配單個(gè)頁(yè)面.
3. 把分配的單個(gè)頁(yè)面，映射到第一步中找到的連續(xù)的虛擬地址。把分配的單個(gè)頁(yè)面，映射到第一步中找到的連續(xù)的虛擬地址。