kmap atomic的细节以及改进

Posted 2021-02-09 ksiwnhiwhs

kmap_atomic用于高端内存映射，用于紧急的，短时间的映射，它没有使用任何锁，完全靠一个数学公式来避免混乱，它空间有限且虚拟地址固定，这意味着它映射的内存不能长期被占用而不被unmap，kmap_atomic在效率上要比kmap提升不少，然而它和kmap却不是用于同一场合的。不管怎么说，它的设计是很完美的。
     kernel可以在多个cpu上同时运行不同的task，然而它们共同使用一个内存地址空间，也就是说，地址空间对于多个cpu看到的是同一个，kmap_atomic使用的是地址空间顶部的一小段地址空间，内核逻辑将这一小段地址空间分成了若干个节，每一节的大小是一个page的大小，可以用来映射一个page，根据公用地址空间的原理，所有的cpu共同使用这些节，因此如何能保证N个cpu调用kmap_atomic不会将page映射到一个地址呢？这就是这个数学公式所起的作用：
idx = type + KM_TYPE_NR*smp_processor_id();
vaddr = __fix_to_virt(FIX_KMAP_BEGIN + idx);
其中KM_TYPE_NR代表type的最大值加1：
enum km_type {
    KM_BOUNCE_READ,
    KM_SKB_SUNRPC_DATA,
    KM_SKB_DATA_SOFTIRQ,
    KM_USER0,
    KM_USER1,
...
    KM_TYPE_NR
};
调用kmap_atomic的时候，有一个参数就是上述的枚举类型km_type，这样不同的cpu得到的vaddr就不可能一样了，原因是这样的：type + KM_TYPE_NR*smp_processor_id()可以写成z=x+N*y(x<N)，只要y不同，z就一定不会相同，因为z=x+N*y<N+N*y=(N+1)*y，设现有y1<y2(二者最少相差1)，则若z1=z2，由于y1*N-y2*N>N，必有x1-x2>N，而x1和x2在0-N的范围内，因此这是不可能的，所以只要cpu不同，它们是不可能映射到同一虚拟地址的，也就是不会导致冲突的发生，最终通过__fix_to_virt(FIX_KMAP_BEGIN + idx)得到映射后的虚拟地址，该__fix_to_virt宏基本是一个常量转换，根据idx找到虚拟地址空间最高处的那个属于本次映射的小段。
     再看kmap_atomic这个api的原形：void *kmap_atomic(struct page *page, enum km_type type)，有个参数是type，也就是说具体映射到哪一段是由调用者来决定的，可是这真的有必要吗？调用者无非需要的是一个虚拟地址而已，它不管一个page具体映射到哪个虚拟地址，就像kmap做的那样，原则上说，kmap_atomic提供的仅仅是底层的一个实现机制，一个接口，它完全可以用不同的方式实现，调用者实在没有必要牵扯进这个底层的细节问题，因此km_type是没有必要的，故而2.6.37内核中果断地去除了这个km_type，现如今2.6.37内核的kmap_atomic的实现如下：
void *kmap_atomic_prot(struct page *page, pgprot_t prot)
{
    unsigned long vaddr;
    int idx, type;
    pagefault_disable(); //原子映射是基于每cpu的，因此在当前cpu上禁用抢占，直到unmap的时候才开启，这样就不会导致原子映射的重入了，毕竟如果禁用抢占的话，调用者进程在开启抢占之前别的进程是不可能在内核空间运行，除非该进程在unmap之前睡眠，如果真的那样，别的进程就很可能在同一cpu重入kmap_atomic_prot了，然后就可能映射到同一虚拟地址(在当前2.6.37版本内部分解决了这个问题，见下面的push/pop)，因此有人说原子映射期间进程不允许睡眠
    if (!PageHighMem(page)) //非高端页面直接返回一一映射地址
        return page_address(page);
    type = kmap_atomic_idx_push();  //递增一个每cpu变量，返回递增后的结果
    idx = type + KM_TYPE_NR*smp_processor_id();
    vaddr = __fix_to_virt(FIX_KMAP_BEGIN + idx);
    set_pte(kmap_pte-idx, mk_pte(page, prot)); //设置页表
    return (void *)vaddr;
}
static inline int kmap_atomic_idx_push(void)
{
    int idx = __get_cpu_var(__kmap_atomic_idx)++;
#ifdef CONFIG_DEBUG_HIGHMEM
    WARN_ON_ONCE(in_irq() && !irqs_disabled());
    BUG_ON(idx > KM_TYPE_NR);  //这个BUG_ON提醒__kmap_atomic_idx不能超过KM_TYPE_NR，原因同老版本的一样
#endif
    return idx;
}
可见新版本的原子映射中没有了km_type参数，只有一个page参数，完全靠一个stack实现了类似km_type的机制，在unmap的时候会调用__get_cpu_var(__kmap_atomic_idx)--将这个变量递减掉。看了这个新版本的实现之后，我们会发现，既然调用kmap_atomic_prot的时候禁用了抢占，如果进程不主动睡眠的话，在单一的cpu上__kmap_atomic_idx一般是不会大于1的，那么push中的BUG_ON当然就是杞人忧天了(除非使用一个原子映射期间又进行了另一个原子映射)，然而如果原子映射的调用者睡眠了的话，谁也再来一个映射也不会和前面的重合，因为__kmap_atomic_idx此时递增了，然后这个进程也睡眠了，唤醒了原来的那个原子映射的调用者，该进程unmap了它的那个原子映射，很不巧，它释放的是第二个进程映射的页面...因此还是不要在使用原子映射之间睡眠。
     那么新版本的原子映射有没有什么缺点呢？kmap_atomic_idx_push和kmap_atomic_idx_pop都是函数，增加了几次函数调用并没有什么(它们都是inline的)，最重要的是增加了几个变量的访问和操作--__kmap_atomic_idx

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