Linux内核机制总结内存管理之连续内存分配器(二十七)
文章目录
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- 1 连续内存分配器
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- 1.1 使用方法
- 1.2 技术原理
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重要：本系列文章内容摘自
1 连续内存分配器
在系统长时间运行后，内存可能碎片化，很难找到连续的物理页，连续内存分配器（Contiguous Memory Allocator，CMA）使得这种情况下分配大的连续内存块成为可能。
嵌入式系统中的许多设备不支持分散聚集和I/O映射，需要连续的大内存块。例如手机上1300万像素的摄像头，一个像素占用3字节，拍摄一张照片需要大约37MB内存。在系统长时间运行后，内存可能碎片化，很难找到连续的物理页，页分配器和块分配器很可能无法分配这么大的连续内存块。
一种解决方案是为设备保留一块大的内存区域，缺点是：当设备驱动不使用的时候（大多数时间手机摄像头是空闲的），内核的其他模块不能使用这块内存。
连续内存分配器试图解决这个问题，保留一块大的内存区域，当设备驱动不使用的时候，内核的其他模块可以使用，当然有要求：只有申请可移动类型的页时可以借用；当设备驱动需要使用的时候，把已经分配的页迁移到其他地方，形成物理地址连续的大内存块。
1.1 使用方法
编译内核时需要开启以下配置宏：
（1）配置宏CONFIG_CMA，启用连续内存分配器。
（2）配置宏CONFIG_CMA_AREAS，指定CMA区域的最大数量，默认值是7。
（3）配置宏CONFIG_DMA_CMA，启用允许设备驱动分配内存的连续内存分配器。
CMA区域分为全局CMA区域和设备私有CMA区域。全局CMA区域是由所有设备驱动共享的，设备私有CMA区域由指定的一个或多个设备驱动使用。
配置CMA区域有3种方法：
（1）通过内核参数“cma”配置全局CMA区域的大小。
使用内核参数“cma=nn[MG]@[start[MG][-end[MG]]]”设置全局CMA区域的大小和物理地址范围。
（2）通过配置宏配置全局CMA区域的大小。
首先选择指定大小的方式：CONFIG_CMA_SIZE_SEL_MBYTES表示指定兆字节数，CONFIG_CMA_SIZE_SEL_PERCENTAGE表示指定物理内存容量的百分比，默认使用指定兆字节数的方式。
如果选择指定兆字节数的方式，那么通过配置宏CONFIG_CMA_SIZE_MBYTES配置大小。如果配置为0，表示禁止CMA，但是可以传递内核参数“cma=nn[MG]”以启用CMA。
如果选择指定物理内存容量的百分比的方式，那么通过配置宏CONFIG_CMA_SIZE_PERCENTAGE指定百分比。如果配置为0，表示禁用连续内存分配器，但是可以传递内核参数“cma=nn[MG]”以启用连续内存分配器。
（3）通过设备树源文件的节点“/reserved-memory”配置CMA区域，如果子节点的属性“compatible”的值是“shared-dma-pool”，表示全局CMA区域，否则表示设备私有CMA区域。
例如配置3个CMA区域：
1）全局CMA区域，节点名称是“linux,cma”，大小是64MB。
2）帧缓冲设备专用的CMA区域，节点名称是“framebuffer@78000000”，大小是8MB。
3）多媒体处理专用的CMA区域，节点名称是“multimedia-memory@77000000”，大小是64MB。
设备树源文件如下：
/ {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
memory {
reg = <0x40000000 0x40000000>;
};
reserved-memory {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
ranges;
/* 全局的自动配置的连续分配区域 */
linux,cma {
compatible = "shared-dma-pool";
reusable;
size = <0x4000000>;
alignment = <0x2000>;
linux,cma-default;
};
display_reserved: framebuffer@78000000 {
reg = <0x78000000 0x800000>;
};
multimedia_reserved: multimedia@77000000 {
compatible = "acme,multimedia-memory";
reg = <0x77000000 0x4000000>;
};
};
/* ... */
fb0: video@12300000 {
memory-region = <&display_reserved>;
/* ... */
};
scaler: scaler@12500000 {
memory-region = <&multimedia_reserved>;
/* ... */
};
codec: codec@12600000 {
memory-region = <&multimedia_reserved>;
/* ... */
};
};
1.2 技术原理
连续内存分配器是DMA映射框架的辅助框架，设备驱动程序不能直接使用连续内存分配器，软件层次如下所示：
（1）连续内存分配器是在页分配器的基础上实现的，提供的接口cma_alloc用来从CMA区域分配页，接口cma_release用来释放从CMA区域分配的页。
（2）在连续内存分配器的基础上实现了DMA映射框架专用的连续内存分配器，简称DMA专用连续内存分配器，提供的接口dma_alloc_from_contiguous用来从CMA区域分配页，接口dma_release_from_contiguous用来释放从CMA区域分配的页。
（3）DMA映射框架从DMA专用连续内存分配器分配或释放页，为设备驱动程序提供的接口dma_alloc_coherent和dma_alloc_noncoherent用来分配内存，接口dma_free_coherent和dma_free_noncoherent用来释放内存。
（4）设备驱动程序调用DMA映射框架提供的函数来分配或释放内存。
1．数据结构
内核定义了结构体cma来描述一个CMA区域的信息，其代码如下：
mm/cma.h
struct cma {
unsigned long base_pfn;
unsigned long count;
unsigned long *bitmap;
unsigned int order_per_bit;
struct mutex lock;
const char *name;
};
（1）成员base_pfn是CMA区域的起始页帧号。
（2）成员count是页数。
（3）成员bitmap是位图，每个位描述对应的页的分配状态，0表示空闲，1表示已分配。
（4）成员order_per_bit指示位图中的每个位描述的物理页的阶数，目前取值为0，表示每个位描述一页。
可以配置多个CMA区域，内核定义了一个数组用来管理CMA区域，全局变量cma_area_count存放配置的CMA区域的数量：
mm/cma.c
struct cma cma_areas[MAX_CMA_AREAS];
unsigned cma_area_count;
页分配器为CMA区域的物理页定义了迁移类型MIGRATE_CMA：
include/linux/mmzone.h
enum migratetype {
…
#ifdef CONFIG_CMA
MIGRATE_CMA,
#endif
…
};
2．创建CMA区域
内存管理子系统初始化时，解析设备树二进制文件得到物理内存的布局，使用memblock保存布局信息，memblock的memory类型保存内存块的物理地址范围，reserved类型保存保留内存块的物理地址范围，CMA区域属于保留内存块。
首先解析设备树二进制文件中的节点“memory”，把内存块添加到memblock的memory类型。
如果通过设备树源文件配置CMA区域，创建CMA区域的执行流程如下所示：
（1）解析设备树二进制文件中的节点“reserved-memory”，把保留内存块添加到memblock的reserved类型。
（2）函数__reserved_mem_init_node调用注册的所有保留内存初始化函数，保留内存初始化函数是使用宏RESERVEDMEM_OF_DECLARE定义的，放在“__reservedmem_of_table”节里面，其中全局CMA区域的初始化函数是rmem_cma_setup。
（3）函数rmem_cma_setup从数组cma_areas分配一个数组项，保存CMA区域的起始页帧号和页数。如果指定了属性“linux,cma-default”，那么这个CMA区域是默认的CMA区域，设置全局变量dma_contiguous_default_area指向这个CMA区域。
如果通过内核参数或配置宏配置全局CMA区域，创建CMA区域的执行流程如下所示，函数 dma_contiguous_reserve 负责创建全局CMA区域：
3．把CMA区域释放给页分配器
memblock是内核初始化的时候使用的内存分配器，内核初始化完以后使用伙伴分配器管理物理页。内核初始化完成的时候，把空闲的内存释放给伙伴分配器，不会把保留的内存释放给伙伴分配器。CMA区域属于保留的内存，但是我们需要把CMA区域的物理页交给伙伴分配器管理。
连续内存分配器注册了初始化函数cma_init_reserved_areas：
mm/cma.c
core_initcall(cma_init_reserved_areas);
函数cma_init_reserved_areas负责把所有CMA区域的物理页释放给伙伴分配器，执行流程如下所示。针对每个CMA区域，先把页块的迁移类型设置为MIGRATE_CMA，然后调用函数__free_pages，把页块释放给伙伴分配器：
4．从CMA区域借用页
当设备驱动程序不使用CMA区域的时候，内核的其他模块可以借用CMA区域的物理页，页分配器只允许可移动类型从CMA类型借用物理页。
如下所示，页分配器分配物理页的时候，执行流程如下：
（1）从指定迁移类型分配页。
（2）如果分配失败，从备用迁移类型借用物理页。
- 如果指定迁移类型是可移动类型，首先从CMA类型借用物理页。
- 从备用迁移类型列表中的每个迁移类型借用物理页。
5．从CMA区域分配内存
当设备驱动程序需要使用CMA区域的时候，如果CMA区域中的物理页已经被页分配器分配出去，需要把物理页迁移到其他地方。
函数cma_alloc负责从CMA区域分配内存，执行流程如下所示：
（1）在CMA区域的位图中查找一个足够大的空闲页块。
（2）在位图中把物理页的分配状态设置为已分配。
（3）调用函数alloc_contig_range，把页分配器已分配出去的物理页迁移到其他地方。
（4）如果迁移失败，回到第1步，查找下一个足够大的空闲页块并尝试分配，直到分配成功或者尝试完所有空闲页块。
函数alloc_contig_range的执行流程如下：
（1）调用函数start_isolate_page_range，把物理页的迁移类型设置为隔离类型（MIGRATE_ISOLATE），隔离物理页，防止页分配器把空闲页分配出去。
（2）调用函数__alloc_contig_migrate_range，处理页分配器已分配出去的物理页。
- 调用函数reclaim_clean_pages_from_list，回收干净的文件页，文件页不可移动，只可回收。
- 调用函数migrate_pages，把可移动的物理页迁移到其他地方。
（3）调用函数isolate_freepages_range处理空闲页，把空闲页从页分配器的空闲链表中删除。
（4）调用函数undo_isolate_page_range，撤销对物理页的隔离，把物理页的迁移类型设置为CMA类型。
6．释放CMA区域的内存
函数cma_release负责释放CMA区域的内存，执行流程如下所示：
（1）检查物理页是否属于CMA区域。
（2）把物理页释放给页分配器。
（3）在CMA区域的位图中把物理页的分配状态设置为空闲。