Linux高端内存映射机制-优快云博客

Kmap

void *kmap(struct page *page)

这个函数在高端内存或低端内存上都能用。如果page结构对应的是低端内存中的一页，函数只会单纯的返回该页的虚拟地址。如果页位于高端内存，则会建立一个永久映射，再返回地址。这个函数可以睡眠，因此kmap()只能在进程上下文中。
因为允许永久映射是有限的，当不需要高端内存时，应该接触映射，可以通过以下函数解除。

void kunmap(struct page *page)

高端内存

Linux将内核地址空间划分为三部分ZONE_DMA ZONE_NORMAL ZONE_HIGHMEM，高端内存HIGH_MEM地址空间范围为 0xF8000000 ~ 0xFFFFFFFF（896MB～1024MB）。那么如内核是如何借助128MB高端内存地址空间是如何实现访问可以所有物理内存？
当内核想访问高于896MB物理地址内存时，从0xF8000000 ~ 0xFFFFFFFF地址空间范围内找一段相应大小空闲的逻辑地址空间，借用一会。借用这段逻辑地址空间，建立映射到想访问的那段物理内存（即填充内核PTE页面表），临时用一会，用完后归还。这样别人也可以借用这段地址空间访问其他物理内存，实现了使用有限的地址空间，访问所有所有物理内存。如下图。
这里写图片描述

例如内核想访问2G开始的一段大小为1MB的物理内存，即物理地址范围为0×80000000 ~ 0x800FFFFF。访问之前先找到一段1MB大小的空闲地址空间，假设找到的空闲地址空间为0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF，用这1MB的逻辑地址空间映射到物理地址空间0×80000000 ~ 0x800FFFFF的内存。映射关系如下：

逻辑地址	物理内存地址
0xF8700000	0×80000000
0xF8700001	0×80000001
0xF8700002	0×80000002
…	…
0xF87FFFFF	0x800FFFFF

当内核访问完0×80000000 ~ 0x800FFFFF物理内存后，就将0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF内核线性空间释放。这样其他进程或代码也可以使用0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF这段地址访问其他物理内存。

具体实现

void *kmap(struct page *page)
{
    might_sleep();
    if (!PageHighMem(page))//如果是低端内存，直接返回内存页对应的虚拟地址。
        return page_address(page);
    return kmap_high(page);//否则 需要进行高端内存映射
}

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();//防止并发
    vaddr = (unsigned long)page_address(page);//直接进行映射
    if (!vaddr)//如果上一步失败
        vaddr = map_new_virtual(page);//建立新的映射
    pkmap_count[PKMAP_NR(vaddr)]++;//如果建立成功，引用加1，表示已被映射，2表示此映射还有额外的引用
    BUG_ON(pkmap_count[PKMAP_NR(vaddr)] < 2);
    unlock_kmap();
    return (void*) vaddr;
}

static inline unsigned long map_new_virtual(struct page *page)
{
    unsigned long vaddr;
    int count;

start:
    count = LAST_PKMAP;
    /* Find an empty entry */
    for (;;) {
        last_pkmap_nr = (last_pkmap_nr + 1) & LAST_PKMAP_MASK;
        if (!last_pkmap_nr) {
            flush_all_zero_pkmaps();//先解除一部分映射
            count = LAST_PKMAP;
        }
        if (!pkmap_count[last_pkmap_nr])//计数为零 证明没有人在使用
            break;  /* Found a usable entry */
        if (--count)//遍历整个kmap空间，如果不存在未使用的映射，就睡眠等待kunmap
            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);
    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;
}