【原创】（十六）Linux内存管理之CMA

背景

• Read the fucking source code! --By 鲁迅
• A picture is worth a thousand words. --By 高尔基

说明：

1. Kernel版本：4.14
2. ARM64处理器，Contex-A53，双核
3. 使用工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 概述

Contiguous Memory Allocator, CMA，连续内存分配器，用于分配连续的大块内存。
CMA分配器，会Reserve一片物理内存区域：

1. 设备驱动不用时，内存管理系统将该区域用于分配和管理可移动类型页面；
2. 设备驱动使用时，用于连续内存分配，此时已经分配的页面需要进行迁移；

此外，CMA分配器还可以与DMA子系统集成在一起，使用DMA的设备驱动程序无需使用单独的CMA API。

2. 数据结构

内核定义了struct cma结构，用于管理一个CMA区域，此外还定义了全局的cma数组，如下：

struct cma {
    unsigned long   base_pfn;
    unsigned long   count;
    unsigned long   *bitmap;
    unsigned int order_per_bit; /* Order of pages represented by one bit */
    struct mutex    lock;
#ifdef CONFIG_CMA_DEBUGFS
    struct hlist_head mem_head;
    spinlock_t mem_head_lock;
#endif
    const char *name;
};

extern struct cma cma_areas[MAX_CMA_AREAS];
extern unsigned cma_area_count;

• base_pfn：CMA区域物理地址的起始页帧号；
• count：CMA区域总体的页数；
• *bitmap：位图，用于描述页的分配情况；
• order_per_bit：位图中每个bit描述的物理页面的order值，其中页面数为2^order值；

来一张图就会清晰明了：

3. 流程分析

3.1 CMA区域创建

3.1.1 方式一 根据dts来配置

之前的文章也都分析过，物理内存的描述放置在dts中，最终会在系统启动过程中，对dtb文件进行解析，从而完成内存信息注册。

CMA的内存在dts中的描述示例如下图：

在dtb解析过程中，会调用到rmem_cma_setup函数：

RESERVEDMEM_OF_DECLARE(cma, "shared-dma-pool", rmem_cma_setup);

3.1.2 方式二 根据参数或宏配置

可以通过内核参数或配置宏，来进行CMA区域的创建，最终会调用到cma_declare_contiguous函数，如下图：

3.2 CMA添加到Buddy System

在创建完CMA区域后，该内存区域成了保留区域，如果单纯给驱动使用，显然会造成内存的浪费，因此内存管理模块会将CMA区域添加到Buddy System中，用于可移动页面的分配和管理。CMA区域是通过cma_init_reserved_areas接口来添加到Buddy System中的。

core_initcall(cma_init_reserved_areas);

core_initcall宏将cma_init_reserved_areas函数放置到特定的段中，在系统启动的时候会调用到该函数。

3.3 CMA分配/释放

• CMA分配，入口函数为cma_alloc：

• CMA释放，入口函数为cma_release：
  函数比较简单，直接贴上代码

/**
 * cma_release() - release allocated pages
 * @cma:   Contiguous memory region for which the allocation is performed.
 * @pages: Allocated pages.
 * @count: Number of allocated pages.
 *
 * This function releases memory allocated by alloc_cma().
 * It returns false when provided pages do not belong to contiguous area and
 * true otherwise.
 */
bool cma_release(struct cma *cma, const struct page *pages, unsigned int count)
{
    unsigned long pfn;

    if (!cma || !pages)
        return false;

    pr_debug("%s(page %p)\n", __func__, (void *)pages);

    pfn = page_to_pfn(pages);

    if (pfn < cma->base_pfn || pfn >= cma->base_pfn + cma->count)
        return false;

    VM_BUG_ON(pfn + count > cma->base_pfn + cma->count);

    free_contig_range(pfn, count);
    cma_clear_bitmap(cma, pfn, count);
    trace_cma_release(pfn, pages, count);

    return true;
}

3.4 DMA使用

代码参考driver/base/dma-contiguous.c，主要包括的接口有：

/**
 * dma_alloc_from_contiguous() - allocate pages from contiguous area
 * @dev:   Pointer to device for which the allocation is performed.
 * @count: Requested number of pages.
 * @align: Requested alignment of pages (in PAGE_SIZE order).
 * @gfp_mask: GFP flags to use for this allocation.
 *
 * This function allocates memory buffer for specified device. It uses
 * device specific contiguous memory area if available or the default
 * global one. Requires architecture specific dev_get_cma_area() helper
 * function.
 */
struct page *dma_alloc_from_contiguous(struct device *dev, size_t count,
                       unsigned int align, gfp_t gfp_mask);
 
 /**
 * dma_release_from_contiguous() - release allocated pages
 * @dev:   Pointer to device for which the pages were allocated.
 * @pages: Allocated pages.
 * @count: Number of allocated pages.
 *
 * This function releases memory allocated by dma_alloc_from_contiguous().
 * It returns false when provided pages do not belong to contiguous area and
 * true otherwise.
 */
bool dma_release_from_contiguous(struct device *dev, struct page *pages,
                 int count);

在上述的接口中，实际调用的就是cma_alloc/cma_release接口来实现的。

整体来看，CMA分配器还是比较简单易懂，也不再深入分析。

4.后记

内存管理的分析先告一段落，后续可能还会针对某些模块进一步的研究与完善。
内存管理子系统，极其复杂，盘根错节，很容易就懵圈了，尽管费了不少心力，也只能说略知皮毛。
学习就像是爬山，面对一座高山，可能会有心理障碍，但是当你跨越之后，再看到同样高的山，心理上你将不再畏惧。

接下来将研究进程管理子系统，将任督二脉打通。

未来会持续分析内核中的各类框架，并发机制等，敬请关注，一起探讨。