page_address()函数分析--如何通过page取得虚拟地址

最新推荐文章于 2024-12-06 20:30:56 发布

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本文深入探讨了X86平台内存管理中的page_address()函数，详细解释了其在低端内存和高端内存环境下的实现方式。通过理解不同宏定义条件下的函数行为，读者能够更好地掌握X86平台内存管理机制。

由于X86 平台上面，内存是划分为低端内存和高端内存的，所以在两个区域内的page查找对应的虚拟地址是不一样的。

一. x86上关于page_address()函数的定义

在include/linux/mm.h里面，有对 page_address()函数的三种宏定义,主要依赖于不同的平台：

首先来看看几个宏的定义：
CONFIG_HIGHMEM: 顾名思义，就是是否支持高端内存，可以查看config文件，一般推荐内存超过896M的时候，才配置为支持高端内存。
WANT_PAGE_VIRTUAL：X86 平台是没有定义的。
所以下面的HASHED_PAGE_VIRTUAL在支持高端内存的i386平台上是有定义的

# if defined( CONFIG_HIGHMEM) & & ! defined( WANT_PAGE_VIRTUAL) # define HASHED_PAGE_VIRTUAL # endif

1.// 所以这里是假的，page_address()在i386上不是在这里定义的

# if defined( WANT_PAGE_VIRTUAL)

# define page_address( page) ( ( page) - > virtual )

# define set_page_address( page, address) // do { // ( page) - > virtual = ( address) ; // } while ( 0) # define page_address_init( ) do { } while ( 0) # endif

2.// 在没有配置CONFIG_HIGHMEM的i386平台上，page_address是在这里定义的

# if ! defined( HASHED_PAGE_VIRTUAL) & & ! defined( WANT_PAGE_VIRTUAL) # define page_address( page) lowmem_page_address( page) # define set_page_address( page, address) do { } while ( 0) # define page_address_init( ) do { } while ( 0) # endif

3.// 所以支持高端内存的i386平台上，page_address()是在这里定义的

# if defined( HASHED_PAGE_VIRTUAL)

    void * page_address( struct page * page) ;

    void set_page_address( struct page * page, void * virtual ) ;

    void page_address_init( void ) ;

    # endif

二. 在低端内存中的page对应的page_address()的实现
在没有配置CONFIG_HIGHMEM的i386平台上，page_address()是等同于lowmem_page_address ():

# define page_address( page) lowmem_page_address( page) static __always_inline void * lowmem_page_address( struct page * page) { return __va( page_to_pfn( page) < < PAGE_SHIFT) ; } # define page_to_pfn( page) ( ( unsigned long ) ( ( page) - mem_map) + / ARCH_PFN_OFFSET)

#define __va(x) ((void *)((unsigned long)(x ) + PAGE_OFFSET ))

我们知道，在小于896M（低端内存）的物理地址空间和3G--3G+896M的线性地址空间是一一对应映射的，所以我们只要知道page所对应的物理地址，就可以知道这个page对应的线性地址空间（pa+PAGE_OFFSET）。
那如何找一个page对应的物理地址呢？我们知道物理内存按照大小为（1<<PAGE_SHIFT）分为很多个页，每个这样的页就对应一个struct page * page结构，这些页描述结构存放在一个称之为mem_map的数组里面，而且是严格按照物理内存的顺序来存放的，也就是物理上的第一个页描述结构，作为 mem_map数组的第一个元素，依次类推。所以，每个页描述结构（page）在数组mem_map里的位置在乘以页的大小，就可以得到该页的物理地址了。上面的代码就是依照这个原理来的：
page_to_pfn(page)函数就是得到每个page在mem_map里的位置，左移 PAGE_SHIFT就是乘以页的大小，这就得到了该页的物理地址。这个物理地址加上个PAGE_OFFSET(3G)就得到了该page的线性地址了

在低端内存中（小于896M）,通过页（struct page * page）取得虚拟地址就是这样转换的。

三. 在高端内存中的page对应的page_address()的实现：

在有配置CONFIG_HIGHMEM的i386 平台上,page_address是在mm/highmem.c里面实现的:

/** * page_address - get the mapped virtual address of a page * @page: &struct page to get the virtual address of * * Returns the page/'s virtual address. */ void * page_address( struct page * page) {

unsigned long flags;
void * ret;
struct page_address_slot * pas;

if ( ! PageHighMem( page) ) //判断是否属于高端内存，如果不是，那么就是属于低 

                         端内

存的，通过上面的方法可以直接找到
return lowmem_page_address( page) ;

pas = page_slot( page) ; //见下分析，pas指向page对应的page_address_map结构所在
 的链表表头

ret = NULL ;
spin_lock_irqsave( & pas- > lock, flags) ;
if ( ! list_empty( & pas- > lh) ) {

struct page_address_map * pam;

list_for_each_entry( pam, & pas- > lh, list ) {
if ( pam- > page = = page) {

ret = pam- > virtual ;
goto done;

}

}
done:
spin_unlock_irqrestore( & pas- > lock, flags) ;
return ret;

}

在高端内存中，由于不能通过像在低端内存中一样，直接通过物理地址加PAGE_OFFSET得到线性地址，所以引入了一个结构叫做 page_address_map结构，该结构保存有每个page（仅高端内存中的）和对应的虚拟地址，所有的高端内存中的这种映射都通过链表链接起来，这个结构是在高端内存映射的时候建立，并加入到链表中的。

/* * Describes one page->virtual association */ struct page_address_map { struct page * page; //page void * virtual ; //虚拟地址 struct list_head list ; //指向下一个该结构 } ;

又因为如果内存远远大于896M，那么高端内存中的page就比较多(（内存-896M）/4K个页，假设页大小为4K），如果只用一个链表来表示，那么查找起来就比较耗时了，所以这里引入了HASH算法，采用多个链表，每个page通过一定的hash算法，对应到一个链表上，总够有128个链表：

/* * Hash table bucket */ static struct page_address_slot { struct list_head lh; // List of page_address_maps 指向一个

//page_address_map结构链表 spinlock_t lock; /* Protect this bucket/'s list */ } page_address_htable[ 1< < PA_HASH_ORDER] ;

PA_HASH_ORDER=7, 所以一共有1<<7（128）个链表，每一个page通过HASH算法后对应一个 page_address_htable链表, 然后再遍历这个链表来找到对应的PAGE和虚拟地址。
page通过HASH算法后对应一个 page_address_htable链表的代码如下：

static struct page_address_slot * page_slot( struct page * page) { return & page_address_htable[ hash_ptr( page, PA_HASH_ORDER) ] ; }

hash_ptr(val, bits)函数在32位的机器上是一个很简单的hash算法，就是把val乘一个黄金值 GOLDEN_RATIO_PRIME_32，在把得到的结果（32位）取高 bits位（这里就是7位）作为哈希表的索引

static inline u32 hash_32( u32 val, unsigned int bits) { /* On some cpus multiply is faster, on others gcc will do shifts */ u32 hash = val * GOLDEN_RATIO_PRIME_32; /* High bits are more random, so use them. */ return hash > > ( 32 - bits) ; }