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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。
附件: 080227152653.jpg [ 32.03 KiB | 被浏览 139 次 ]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PTELAST_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1024highmem_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 < highmem_start_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1pkmap_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)] < 2)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) << PAGE_SHIFT))//将序号转化为线性地址vaddr = PKMAP_ADDR(last_pkmap_nr);//将线性地址映射到pageset_pte(&(pkmap_page_table[last_pkmap_nr]), mk_pte(page, kmap_prot));//将其引用计数置1pkmap_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 < highmem_start_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1need_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_APICFIX_APIC_BASE, /* local (CPU) APIC) -- required for SMP or not */#elseFIX_VSTACK_HOLE_1,#endif#ifdef CONFIG_X86_IO_APICFIX_IO_APIC_BASE_0,FIX_IO_APIC_BASE_END = FIX_IO_APIC_BASE_0 + MAX_IO_APICS-1,#endif#ifdef CONFIG_X86_VISWS_APICFIX_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 */#endifFIX_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_TIMERFIX_CYCLONE_TIMER, /*cyclone timer register*/FIX_VSTACK_HOLE_2,#endifFIX_KMAP_BEGIN, /* reserved pte's for temporary kernel mappings */FIX_KMAP_END = FIX_KMAP_BEGIN+(KM_TYPE_NR*NR_CPUS)-1,#ifdef CONFIG_ACPI_BOOTFIX_ACPI_BEGIN,FIX_ACPI_END = FIX_ACPI_BEGIN + FIX_ACPI_PAGES - 1,#endif#ifdef CONFIG_PCI_MMCONFIGFIX_PCIE_MCFG,#endif__end_of_permanent_fixed_addresses,/* temporary boot-time mappings, used before ioremap() is functional */#define NR_FIX_BTMAPS 16FIX_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) << PAGE_SHIFT))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 < highmem_start_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_HIGHMEMif (!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));elseset_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_HIGHMEMunsigned long vaddr = (unsigned long) kvaddr & PAGE_MASK;enum fixed_addresses idx = type + KM_TYPE_NR*smp_processor_id();if (vaddr < FIXADDR_START) { // FIXMEdec_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);#endifdec_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
