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vmap和vmalloc机制分析

系统背景

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。

核心数据结构

vmap和vmalloc的核心数据结构包括vm_struct和vmap_area两个结构体。

vm_struct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 */
};

vmap_area结构体

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。

红黑树机制

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和vunmap功能分析

vmap函数

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函数

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和vfree分析

vmalloc函数

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函数

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：

总结

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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