x4412&ibox项目实战47－Linux内核内存读写

armeasy

本小节讲述linux内核常用的内存操作函数。

1.1.1    kmalloc()/kfree()

1. static __always_inline void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags)

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内核空间申请指定大小的内存区域，返回内核空间虚拟地址。在函数实现中，如果申请的内存空间较大的话，会从buddy系统申请若干内存页面，如果申请的内存空间大小较小的话，会从slab系统中申请内存空间。

1.1.2    vmalloc()/vfree()

1. void *vmalloc(unsigned long size)

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该函数优先从高端申请内存页面，并把申请的内存页面映射到内核的动态映射空间。vmalloc()函数的功能和alloc_pages(_GFP_HIGHMEM)+kmap() 的功能相似，区别在于用vmalloc()申请的物理内存页面映射到内核的动态映射区，并且，用vmalloc()申请的页面的物理地址可能是不连续的。而alloc_pages(_GFP_HIGHMEM)+kmap()申请的页面的物理地址是连续的，被映射到内核的KMAP区。

vmalloc分配的地址则限于vmalloc_start与vmalloc_end之间。每一块vmalloc分配的内核虚拟内存都对应一个vm_struct结构体，不同的内核虚拟地址被4k大小的空闲区间隔，以防止越界。与进程虚拟地址的特性一样，这些虚拟地址与物理内存没有简单的位移关系，必须通过内核页表才可转换为物理地址或物理页。它们有可能尚未被映射，在发生缺页时才真正分配物理页面。

如果内存紧张，连续区域无法满足，调用vmalloc分配是必须的，因为它可以将物理不连续的空间组合后分配，所以更能满足分配要求。vmalloc可以映射高端页框，也可以映射低端页框。vmalloc的作用只是为了提供逻辑上连续的地址。

1.1.3    alloc_pages()/free_pages()

内核空间申请指定个数的内存页，内存页数必须是2^order个页。

alloc_pages(gfp_mask,order) 中，gfp_mask 是flag标志，其中可以为_GFP_DMA、_GFP_HIGHMEM 分别对应DMA和高端内存。该函数基于buddy系统申请内存，申请的内存空间大小为2^order个内存页面。

通过函数alloc_pages()申请的内存，需要使用kmap()函数分配内核的虚拟地址。

1.1.4    __get_free_pages()/__free_pages()

1. unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)

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作用相当于alloc_pages(NORMAL)+kmap()，但不能申请高端内存页面。__get_free_page()只申请一个页面。

1.1.5    kmap()/kunmap()

返回指定页面对应内核空间的虚拟地址。

1. #include <linux/highmem.h>
   
2. void *kmap(struct page *page);
   
3. void kunmap(struct page *page);

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kmap为系统中的任何页返回一个内核虚拟地址。对于低端内存页,它只返回页的逻辑地址。对于高端内存页, kmap在“内核永久映射空间”中创建一个特殊的映射。这样的映射数目有限, 因此最好不要持有过长的时间。

    使用kmap创建的映射应当使用kunmap来释放。kmap调用维护一个计数器, 因此若2个或多个函数都在同一个页上调用kmap也是允许的。

通常情况下，“内核永久映射空间”是4M大小，因此仅仅需要一个页表即可，内核通过pkmap_page_table寻找这个页表。

kmalloc()和vmalloc()相比，kmalloc()总是从ZONE_NORMAL申请内存。kmalloc()分配的内存空间通常用于linux内核的系统数据结构和链表。因内核需要经常访问其数据结构和链表，使用固定映射的ZONE_NORMAL空间的内存有利于提高效率。

使用vmalloc()可以申请非连续的物理内存页，并组成虚拟连续内存空间。vmalloc()优先从高端内存申请。内核在分配那些不经常使用的内存时，都用高端内存空间，所谓不经常使用是相对来说的，比如内核的一些数据结构就属于经常使用的，而用户的一些数据就属于不经常使用的。

alloc_pages(_GFP_HIGHMEM)+kmap()方式申请的内存使用内核永久映射空间（下图中的KMAP区），空间较小（通常4M线性空间），不用时需要及时释放。另外，可以指定alloc_pages()从直接映射区申请内存，需要使用_GFP_NORMAL属性指定。

__get_free_pages()/__free_pages()不能申请高端内存页面，操作区域和kmalloc()相同（下图中的动态映射区）。

1.1.1    virt_to_page()

其作用是由内核空间的虚拟地址得到页结构，见下面的宏定义。

1. #define virt_to_pfn(kaddr)     (__pa(kaddr) >> PAGE_SHIFT)
   
2. #define pfn_to_virt(pfn)        __va((pfn) << PAGE_SHIFT)
   
3. 
   
4. #define virt_to_page(addr)     pfn_to_page(virt_to_pfn(addr))
   
5. #define page_to_virt(page)    pfn_to_virt(page_to_pfn(page))
   
6. 
   
7. #define __pfn_to_page(pfn)  (mem_map + ((pfn) - ARCH_PFN_OFFSET))
   
8. #define __page_to_pfn(page)          ((unsigned long)((page) - mem_map) + ARCH_PFN_OFFSET)

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1.1.2    物理地址和虚拟地址之间转换

1. #ifdef CONFIG_BOOKE
   
2. #define __va(x) ((void *)(unsigned long)((phys_addr_t)(x) + VIRT_PHYS_OFFSET))
   
3. #define __pa(x) ((unsigned long)(x) - VIRT_PHYS_OFFSET)
   
4. #else
   
5. #define __va(x) ((void *)(unsigned long)((phys_addr_t)(x) + PAGE_OFFSET - MEMORY_START))
   
6. #define __pa(x) ((unsigned long)(x) - PAGE_OFFSET + MEMORY_START)
   
7. #endif

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1.1.3    ioremap()/iounmap()

ioremap()的作用是把device寄存器和内存的物理地址区域映射到内核虚拟区域，返回值为内核的虚拟地址。在内核中操作内存空间时使用的都是内核虚拟地址，必须把device的空间映射到内核虚拟空间。

1. #include <asm/io.h>
   
2. void *ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size);
   
3. void *ioremap_nocache(unsigned long phys_addr, unsigned long size); //映射非cache的io内存区域
   
4. void iounmap(void * addr);

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为了增加可移植性，最好使用下面的接口函数读写io内存区域：

1. unsigned int ioread8(void *addr);
   
2. unsigned int ioread16(void *addr);
   
3. unsigned int ioread32(void *addr);
   
4. void iowrite8(u8 value, void *addr);
   
5. void iowrite16(u16 value, void *addr);
   
6. void iowrite32(u32 value, void *addr);

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如果必须读和写一系列值到一个给定的I/O内存地址, 可以使用这些函数的衍生版本:

1. void ioread8_rep(void *addr, void *buf, unsigned long count);
   
2. void ioread16_rep(void *addr, void *buf, unsigned long count);
   
3. void ioread32_rep(void *addr, void *buf, unsigned long count);
   
4. void iowrite8_rep(void *addr, const void *buf, unsigned long count);
   
5. void iowrite16_rep(void *addr, const void *buf, unsigned long count);
   
6. void iowrite32_rep(void *addr, const void *buf, unsigned long count);

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这些函数读或写count值从指定的buf到指定的addr。注意count表达为在被写入的数据大小。

1.1.4    request_mem_region()

该函数的作用是：外设的io端口映射到io memoryregion中。在本函数实现中会检查输入到本函数的参数所描述的空间（下面描述为本io空间）是否和iomemory region中已存在的空间冲突等，并设置本io空间的parent字段等（把本io空间插入到io空间树种）。

io memory region空间中是以树形结构组织的，默认的根为iomem_resource描述的io空间，其name为"PCI mem"。

request_mem_region(start,n,name)输入的参数依次是设备的物理地址，字节长度，设备名字。函数返回类型如下：

1. struct resource {
   
2.          resource_size_t start;
   
3.          resource_size_t end;
   
4.          const char *name;
   
5.          unsigned long flags;
   
6.          struct resource *parent, *sibling, *child;
   
7. };

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1.1.5    SetPageReserved()

随着linux的长时间运行，空闲页面会越来越少，为了防止linux内核进入请求页面的僵局中，Linux内核采用页面回收算法（PFRA）从用户进程和内核高速缓存中回收内存页框，并根据需要把要回收页框的内容交换到磁盘上的交换区。调用该函数可以使页面不被交换。

1. #define SetPageReserved(page)                set_bit(PG_reserved, &(page)->flags)

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1.1.6    do_mmap()/do_ummap()

内核使用do_mmap()函数为进程创建一个新的线性地址区间。但是说该函数创建了一个新VMA并不非常准确，因为如果创建的地址区间和一个已经存在的地址区间相邻，并且它们具有相同的访问权限的话，那么两个区间将合并为一个。如果不能合并，那么就确实需要创建一个新的VMA了。但无论哪种情况，do_mmap()函数都会将一个地址区间加入到进程的地址空间中－－无论是扩展已存在的内存区域还是创建一个新的区域。同样，释放一个内存区域应使用函数do_ummap()，它会销毁对应的内存区域。

1.1.7    get_user_pages()

作用是在内核空间获取用户空间内存的page描述，之后可以通过函数kmap()获取page 对应到内核的虚拟地址。

1. int get_user_pages(struct task_struct *tsk, struct mm_struct *mm, unsigned long start, int len, int write, int force,
   
2. struct page **pages, struct vm_area_struct **vmas)

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tsk：指示用户空间对应进程的task_struct数据结构。只是为了记录错误信息用，该参数可以为空。

mm：从该mm struct中获取start 指示的若干页面。

start：参数mm空间的起始地址，即用户空间的虚拟地址。

len：需要映射的页数。

write：可以写标志。

force：强制可以写标志。

pages：输出的页数据结构。

vmas：对应的需要存储区，（没有看明白对应的代码）

返回值：数返回实际获取的页数，貌似对每个实际获取的页都是给页计数值增1，如果实际获取的页不等于请求的页，要放弃操作则必须对已获取的页计数值减1。

1.1.8    copy_from_user()和copy_to_user()

主要应用于设备驱动中读写函数中，通过系统调用触发，在当前进程上下文内核态运行。

copy_from_user的目的是防止用户程序欺骗内核，将一个非法的地址传进去，如果没有它，这一非法地址就检测不到，内核就会访问这个地址指向的数据。因为在内核中访问任何地址都没有保护，如果不幸访问一个错误的内存地址可能会使内核崩溃。

copy_from_user调用了access_ok，它可以检查访问的空间是否合法。注意：中断代码时不能用copy_from_user，因为其调用了might_sleep()函数，会导致睡眠。

1. unsigned long copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n)

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通常用在设备读函数或ioctl中获取参数的函数中。

1. unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n)

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通常用在设备写函数或ioctl中设置参数的函数中。

1.1.9    get_user(x, ptr)

该函数的作用是获取用户空间指定地址的数值并保存到内核变量x中，ptr为用户空间的地址。用法举例如下。

get_user(val, (int __user *)arg)

注明：函数用于进程上下文内核态，即通常在系统调用函数中使用该函数。

1.1.10 put_user(x, ptr)

该函数的作用是将内核空间的变量x的数值保存到用户空间指定地址处，prt为用户空间地址。用法举例如下。

put_user(val, (int __user *)arg)

注明：函数用户进程上下文内核态，即通常在系统调用函数中使用该函数。