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内核中的vmap和vmalloc机制是用于处理物理内存到虚拟地址的映射关系,特别是在物理内存不连续的情况下,如何将其高效地映射到虚拟地址空间中。这些机制在内核编程和内存管理中具有重要作用。
vmap和vmalloc的核心数据结构包括vm_struct和vmap_area两个结构体。
struct vm_struct { struct vm_struct *next; /* 节点指针 */ void *addr; /* 虚拟地址 */ unsigned long size; /* 映射的物理页数 */ unsigned long flags; /* 标志位 */ struct page **pages; /* 对应的物理页面 */ unsigned int nr_pages; /* 页面数量 */ phys_addr_t phys_addr; /* 物理地址 */ const void *caller; /* 调用者信息 */}; struct vmap_area { unsigned long va_start; /* 虚拟地址起始 */ unsigned long va_end; /* 虚拟地址结束 */ unsigned long flags; /* 标志位 */ struct rb_node rb_node; /* 红黑树节点 */ struct list_head list; /* 链表节点 */ struct llist_node purge_list; /* 垂直清除列表 */ struct vm_struct *vm; /* 对应的vm_struct指针 */ struct rcu_head rcu_head; /* 并发控制头 */}; vmap_area用于描述一段虚拟地址区域,通过va_start和va_end确定范围。结构体中的rb_node用于挂在红黑树上,list用于挂在链表中,vm字段则指向对应的vm_struct结构,用于管理虚拟地址和物理页之间的映射关系。
红黑树是一种高效的查找数据结构,广泛应用于内核中。其核心特点是通过节点颜色(红色或黑色)来维护二叉搜索树的性质,确保搜索效率。
红黑树的四个主要规则:
红黑树的定义如下:
struct rb_node { unsigned long __rb_parent_color; /* 父节点颜色 */ struct rb_node *rb_right; /* 右孩子 */ struct rb_node *rb_left; /* 左孩子 */} __attribute__((aligned(sizeof(long)))); vmap的主要功能是将物理内存映射到虚拟地址空间中,具体流程如下:
在alloc_vmap_area函数中,使用了全局变量缓存机制,用于提高分配效率。
vunmap的功能与vmap相反,主要流程包括:
由于映射关系的修改可能导致TLB flush,vunmap采用懒处理(lazy tlb),延迟刷新TLB,以提高性能。
vmalloc用于分配一个大块的连续虚拟地址空间。与vmap相似,主要流程包括:
与kmalloc相比,vmalloc通过alloc_page接口申请order=0的页面,并映射到连续的虚拟空间,适用于物理内存不连续的情况。
vfree用于释放已分配的虚拟地址空间,其逻辑与vunmap类似,主要步骤包括:
vmap和vmalloc机制通过红黑树和缓存机制,高效地管理物理内存到虚拟地址的映射关系。在内核内存管理中,这些机制确保了物理内存的高效利用和虚拟地址的正确映射,特别是在物理内存不连续的情况下。理解这些机制对于深入掌握内核内存管理具有重要意义。
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