linux高端内存管理之非连续内存区（描述）
总结了高端内存区的固定内核映射区、临时内核映射与永久内核映射。但是对于高端内存中各个区间的布置我们任然不是很清楚，首先我们从整体上看看内核对高端内存的划分情况。
如果内存足够大（比如用户：内核线性空间=3:1，内核就只能访问线性空间的第4GB内容，如果物理内存超过1GB则视为足够大），内核线性空间无法同时映射所有内存。这就需要将内核线性空间分出一段不直接映射物理内存，而是作为窗口分时映射使用到的未映射的内存。
一、非连续内存区布局
Linux内核中对于非连续区间的开始：
#define VMALLOC_START ((unsigned long)high_memory + VMALLOC_OFFSET)#define VMALLOC_OFFSET (8 * 1024 * 1024)
对于变量high_memory变量：
void __init initmem_init(unsigned long start_pfn,
unsigned long end_pfn)
{
highstart_pfn = highend_pfn = max_pfn;
if (max_pfn > max_low_pfn)
highstart_pfn = max_low_pfn;
……
num_physpages = highend_pfn;
/*高端内存开始地址物理*/
high_memory = (void *) __va(highstart_pfn * PAGE_SIZE - 1) + 1;
……
}
其中，变量max_low_pfn在highmem_pfn_init()函数中初始化为下面值
#define MAXMEM (VMALLOC_END - PAGE_OFFSET - __VMALLOC_RESERVE)unsigned int __VMALLOC_RESERVE = 128 << 20;
对于非连续区间的结束定义：
# define VMALLOC_END (PKMAP_BASE - 2 * PAGE_SIZE)
由上面的内核代码，画出内存布局细节图如下
由上面的布局可知128M+4M+4M+8K，然而直接映射区和连续内存之间空出来了8M的空间不能用，非连续空间和永久内核映射区之间也有8K的空间不可用，另外，内存顶端空出了4K不可用的。这样，高端内存能用的空间为128M+4M+4M+8K-4K-8M-8K=128M-4K大小的内存。
二、数据结构描述
虚拟内存区描述（对于vmlist链表）
struct vm_struct {
struct vm_struct *next;
void *addr;/*内存区的第一个内存单元的线性地址*/
unsigned long size;
unsigned long flags;/*类型*/
struct page **pages;/*指向nr_pages数组的指针，该数组由指向页描述符的指针组成*/
unsigned int nr_pages;/*内存区填充的页的个数*/
unsigned long phys_addr;/*该字段设为0，除非内存已被创建来映射一个硬件设备的IO共享内存*/
void *caller;
};
虚拟内存区描述（对于红黑树）
struct vmap_area {
unsigned long va_start;
unsigned long va_end;
unsigned long flags;
struct rb_node rb_node; /* address sorted rbtree */
struct list_head list; /* address sorted list */
struct list_head purge_list; /* "lazy purge" list */
void *private;
struct rcu_head rcu_head;
};内存区由next字段链接到一起，并且为了查找简单，他们以地址为次序。为了防止溢出，每个区域至少由一个页面隔离开。
三、非连续内存区初始化
非连续内存区的初始化工作在start_kernel()->mm_init()->vmalloc_init()完成
void __init vmalloc_init(void)
{
struct vmap_area *va;
struct vm_struct *tmp;
int i;
for_each_possible_cpu(i) {
struct vmap_block_queue *vbq;
vbq = &per_cpu(vmap_block_queue, i);
spin_lock_init(&vbq->lock);
INIT_LIST_HEAD(&vbq->free);
INIT_LIST_HEAD(&vbq->dirty);
vbq->nr_dirty = 0;
}
/* Import existing vmlist entries. */
for (tmp = vmlist; tmp; tmp = tmp->next) {/*导入vmlist中已经有的数据到红黑树中*/
va = kzalloc(sizeof(struct vmap_area), GFP_NOWAIT);
va->flags = tmp->flags | VM_VM_AREA;
va->va_start = (unsigned long)tmp->addr;
va->va_end = va->va_start + tmp->size;
__insert_vmap_area(va);
}
vmap_area_pcpu_hole = VMALLOC_END;
vmap_initialized = true;/*已经初始化*/
}
四、创建非连续内存的线性区
vm_struct结构链接在一个链表中，链表的第一个元素的地址存放在vmlist变量中。当内核需要分配一块新的内存时，函数get_vm_area()分配结构体所需要的空间，然后将其插入到链表中。另外，该版本的内核中增加了红黑树的管理。函数get_vm_area()不仅要将其插入到vmlist链表中，还有将结构体vmap_area插入到vmap_area_root指定根的红黑树中。
get_vm_area()函数会调用__get_vm_area_node()函数
static struct vm_struct *__get_vm_area_node(unsigned long size,
unsigned long align, unsigned long flags, unsigned long start,
unsigned long end, int node, gfp_t gfp_mask, void *caller)
{
static struct vmap_area *va;
struct vm_struct *area;
BUG_ON(in_interrupt());
if (flags & VM_IOREMAP) {
int bit = fls(size);
if (bit > IOREMAP_MAX_ORDER)
bit = IOREMAP_MAX_ORDER;
else if (bit < PAGE_SHIFT)
bit = PAGE_SHIFT;
align = 1ul << bit;
}
size = PAGE_ALIGN(size);
if (unlikely(!size))
return NULL;
/*分配vm_struct结构体内存空间*/
area = kzalloc_node(sizeof(*area), gfp_mask & GFP_RECLAIM_MASK, node);
if (unlikely(!area))
return NULL;
/*
* We always allocate a guard page.
*/
size += PAGE_SIZE;/*为安全考虑，多一个页面*/
/*分配vmap_area结构体，并且将其插入到红黑树中*/
va = alloc_vmap_area(size, align, start, end, node, gfp_mask);
if (IS_ERR(va)) {
kfree(area);
return NULL;
}
/*插入vmlist链表*/
insert_vmalloc_vm(area, va, flags, caller);
return area;
}/*
* Allocate a region of KVA of the specified size and alignment, within the
* vstart and vend.
*/
static struct vmap_area *alloc_vmap_area(unsigned long size,
unsigned long align,
unsigned long vstart, unsigned long vend,
int node, gfp_t gfp_mask)
{
struct vmap_area *va;
struct rb_node *n;
unsigned long addr;
int purged = 0;
BUG_ON(!size);
BUG_ON(size & ~PAGE_MASK);
/*分配vmap_area结构*/
va = kmalloc_node(sizeof(struct vmap_area),
gfp_mask & GFP_RECLAIM_MASK, node);
if (unlikely(!va))
return ERR_PTR(-ENOMEM);
retry:
addr = ALIGN(vstart, align);
spin_lock(&vmap_area_lock);
if (addr + size - 1 < addr)
goto overflow;
/* XXX: could have a last_hole cache */
n = vmap_area_root.rb_node;
if (n) {
struct vmap_area *first = NULL;
do {
struct vmap_area *tmp;
tmp = rb_entry(n, struct vmap_area, rb_node);
if (tmp->va_end >= addr) {
if (!first && tmp->va_start < addr + size)
first = tmp;
n = n->rb_left;
} else {
first = tmp;
n = n->rb_right;
}
} while (n);
if (!first)/*为最左的孩子，也就是比现有的都小*/
goto found;
if (first->va_end < addr) {
n = rb_next(&first->rb_node);
if (n)
first = rb_entry(n, struct vmap_area, rb_node);
else/*next为空*/
goto found;/*为找到的节点的下一个，也就是比找到的大*/
}
/*当上面没有满足要求时，重新配置addr，也就是起始
地址*/
while (addr + size > first->va_start && addr + size <= vend) {
addr = ALIGN(first->va_end + PAGE_SIZE, align);/*重新配置起始地址*/
if (addr + size - 1 < addr)
goto overflow;
n = rb_next(&first->rb_node);
if (n)
first = rb_entry(n, struct vmap_area, rb_node);
else
goto found;/*此时应该插入到找到的节点的右边*/
}
}
found:
if (addr + size > vend) {
overflow:
spin_unlock(&vmap_area_lock);
if (!purged) {
purge_vmap_area_lazy();
purged = 1;
goto retry;
}
if (printk_ratelimit())
printk(KERN_WARNING
"vmap allocation for size %lu failed: "
"use vmalloc= to increase size.\n", size);
kfree(va);
return ERR_PTR(-EBUSY);
}
BUG_ON(addr & (align-1));
/*初始化va*/
va->va_start = addr;
va->va_end = addr + size;
va->flags = 0;
/*插入到红黑树*/
__insert_vmap_area(va);
spin_unlock(&vmap_area_lock);
return va;
} static void insert_vmalloc_vm(struct vm_struct *vm, struct vmap_area *va,
unsigned long flags, void *caller)
{
struct vm_struct *tmp, **p;
/*初始化vm*/
vm->flags = flags;
vm->addr = (void *)va->va_start;
vm->size = va->va_end - va->va_start;
vm->caller = caller;
va->private = vm;
va->flags |= VM_VM_AREA;
write_lock(&vmlist_lock);
/*寻找插入位置*/
for (p = &vmlist; (tmp = *p) != NULL; p = &tmp->next) {
if (tmp->addr >= vm->addr)
break;
}
/*插入工作*/
vm->next = *p;
*p = vm;
write_unlock(&vmlist_lock);
}初步总结了高端内存非连续区的管理框架，后面将总结他的分配和释放工作。