内核杂谈——vmalloc分配器的进化故事

从懵逼到不懵逼

vmalloc机制在最近的内核中做了大改，很有意思。通过对比的角度来看看最近一次的进化史。对比版本5.0和5.4

patch: commitID 68ad4a3304335358f95a417f2a2b0c909e5119c4

    mm/vmalloc.c: keep track of free blocks for vmap allocation
    
    Patch series "improve vmap allocation", v3.

5.1中提出的，5.2中合入。本文侧重点是空洞的处理，笔者第一次读vmalloc分配器的时候是比较懵逼的，因为早期vmalloc记录的是已分配出去的对象，而空闲块是隐蔽描述的，正常理解的思维像伙伴系统一样，查找空闲对象然后获取，但vmlloac不是。

直到上述patch出现，理解不再晦涩。
   

vmalloc的建立

在vmalloc_init之前使用vm_struct来记录分配出去的vmalloc区域，然后会链接在vmlist全局链表中。早期的vmalloc区域有per cpu使用的（见pcpu_page_first_chunk），还有内核使用的代码段数据段等（见map_kernel）。这些区域比较零散，在vmalloc_init中会将这些区域从vmlist组织到vmap_area红黑树中。讲到树，肯定离不开查找 删除 插入这些让人产生条件反射的想法。

上述过程没啥变化，变化主要在vmalloc_init中，该函数建立了vmalloc机制。在vmalloc_init中引入了一个新的小内存cache——vmap_area_cachep。不用多想，看到kmem_cache也要产生条件反射——vmap_area是一个频繁的操作对象，建立对应的小内存可以加快内存获取的速度。

void __init vmalloc_init(void)
{struct vmap_area *va;struct vm_struct *tmp;int ivmap_area_cachep = KMEM_CACHE(vmap_area, SLAB_PANIC);for (tmp = vmlist; tmp; tmp = tmp->next) {va = kmem_cache_zalloc(vmap_area_cachep, GFP_NOWAIT);va->va_start = (unsigned long)tmp->addr;va->va_end = va->va_start + tmp->size;va->vm = tmp;insert_vmap_area(va, &vmap_area_root, &vmap_area_list);}
}

va的作用就是接管vmlist里的已被使用的vmalloc区域，然后存放到红黑树中。将已用的va使用vmap_area红黑树管理，同时使用链表将这些va按顺序排序，红黑树方便查找区间，链表方便获取下一个对象。 这里使用两种结构，使得查找操作快一点，这个是保留的，改进的是区间的更新及查找。

进化一：空洞实体化

在vmalloc_init中添加了vmap_init_free_space。函数中出现了一个新的对象描述空洞。也就是free va。vmalloc_init之前链入vmlist的vmalloc区域不一定是连续的，如代码下的KVA space描述，B(usy)代表已被分配出去的vmalloc区域，F(ree)代表未被分配出去的vmalloc区域。

5.0代码中没有这个函数，也就是并未将free区域单独拎出来。

static void vmap_init_free_space(void)
{unsigned long vmap_start = 1;const unsigned long vmap_end = ULONG_MAX;struct vmap_area *busy, *free;/**     B     F     B     B     B     F* -|-----|.....|-----|-----|-----|.....|-*  |           The KVA space           |*  |<--------------------------------->|*/
//拎出vmap_area_list中的空洞区域。list_for_each_entry(busy, &vmap_area_list, list) {if (busy->va_start - vmap_start > 0) {free = kmem_cache_zalloc(vmap_area_cachep, GFP_NOWAIT);if (!WARN_ON_ONCE(!free)) {free->va_start = vmap_start;free->va_end = busy->va_start;insert_vmap_area_augment(free, NULL,&free_vmap_area_root,&free_vmap_area_list);}}vmap_start = busy->va_end;}
//拎出剩余的区域，这块区域是最大的。if (vmap_end - vmap_start > 0) {free = kmem_cache_zalloc(vmap_area_cachep, GFP_NOWAIT);if (!WARN_ON_ONCE(!free)) {free->va_start = vmap_start;free->va_end = vmap_end;insert_vmap_area_augment(free, NULL,&free_vmap_area_root,&free_vmap_area_list);}}
}

如上图描述了vmalloc区域，可以分为两块区域，一块支离破碎的，还一块待开发的。如何拎出来未开发的区域呢？看下图，其中的关键点：vmap_start的更新以及差值比较。

名字上是list，其实是一颗红黑树（便于理解画成了链表形式）。vmap_area_list树上挂了很多已被使用的vmalloc区域节点，各个节点间不连续的地方就是hole，然后找出来挂到free_vmap_area_list这颗树上。后面的获取空闲区域就从free树上获取。

进化二：空闲块的更新及查找

5.0：利用已分配区域找空闲区域

先看5.0中的。通过找空洞来获取空间，空洞代表没有使用的区域。

alloc_vmap_area:if (free_vmap_cache) {} else {addr = ALIGN(vstart, align);n = vmap_area_root.rb_node;first = NULL;while (n) {struct vmap_area *tmp;tmp = rb_entry(n, struct vmap_area, rb_node);
//rbtree中寻找tmp->va_start <= addr <= tmp->va_end的区域if (tmp->va_end >= addr) {first = tmp;if (tmp->va_start <= addr)break;n = n->rb_left;} elsen = n->rb_right;}}
//节点使用list成员组成的链表，按地址顺序排列while (addr + size > first->va_start && addr + size <= vend) {addr = ALIGN(first->va_end, align);
//如果找到的节点是最后一个节点，那就不用找了，直接拿后面没有开发的holeif (list_is_last(&first->list, &vmap_area_list))goto found;first = list_next_entry(first, list);}
found:va->va_start = addr;va->va_end = addr + size;va->flags = 0;__insert_vmap_area(va);

第一次找到addr最接近的区间位置

while条件满足说明找到的区域不是hole，更新addr和first位置

进入while判断，发现first前有一块空洞适合获取，退出循环，直接拿前一个first的后面一块区间使用，然后加入红黑树和list链表。

5.4：在空闲区域中查找

看5.4的。核心在free_vmap_area树中查找。

find_vmap_lowest_match:struct vmap_area *va;struct rb_node *node;unsigned long length;//从free树中查找node = free_vmap_area_root.rb_node;length = size + align - 1;while (node) {va = rb_entry(node, struct vmap_area, rb_node);
//首先判断左区间最大空闲区域是否满足申请需求，然后判断地址是否在左节点中if (get_subtree_max_size(node->rb_left) >= length &&vstart < va->va_start) {node = node->rb_left;} else {
//区间坐落在当前节点中if (is_within_this_va(va, size, align, vstart))return va;
//右区间最大空闲区域是否满足申请需求if (get_subtree_max_size(node->rb_right) >= length) {node = node->rb_right;continue;}return NULL;
}

__alloc_vmap_area:va = find_vmap_lowest_match(size, align, vstart); //free va中找到合适areaif (va->va_start > vstart)        //获得待分配的起始地址nva_start_addr = ALIGN(va->va_start, align);elsenva_start_addr = ALIGN(vstart, align);
//根据地址判断在当前free va中所处的匹配类型type = classify_va_fit_type(va, nva_start_addr, size);
//根据匹配类型，更新free vmap_area中节点的空闲区域ret = adjust_va_to_fit_type(va, nva_start_addr, size, type); 

找到合适的地址区间的思想是先判断是否有合适的长度去拿，满足长度后再决定从哪个区间去获取。其中的get_subtree_max_size是由argumemt_tree_propagate_from计算的，记录以某节点为头结点形成的树的最大空闲长度，保存在该节点的subtree_max_size中，这个变量是依据修改在vmap_area中新增的。

核心思想在type和subtree_max_size中。

不变的

想法都是不变的，都是为了提高vmalloc分配器的速度。在5.0之前有一笔patch

patch: commitID    89699605fe7cfd8611900346f61cb6cbf179b10a

mm: vmap area cache

引入了cache减少vmalloc分配器中对红黑树的查找操作。而最新的修改使用了type和subtree_max_size减少对红黑树的操作。可以去看作者描述。