浅浅讲解下Linux内存管理之CMA

说明：

Kernel版本：4.14
ARM64处理器，Contex-A53，双核
使用工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 概述

Contiguous Memory Allocator, CMA，连续内存分配器，用于分配连续的大块内存。CMA分配器，会Reserve一片物理内存区域：

设备驱动不用时，内存管理系统将该区域用于分配和管理可移动类型页面；
设备驱动使用时，用于连续内存分配，此时已经分配的页面需要进行迁移；

此外，CMA分配器还可以与DMA子系统集成在一起，使用DMA的设备驱动程序无需使用单独的CMA API。

2. 数据结构

内核定义了struct cma结构，用于管理一个CMA区域，此外还定义了全局的cma数组，如下：

struct cma {unsigned long   base_pfn;unsigned long   count;unsigned long   *bitmap;unsigned int order_per_bit; /* Order of pages represented by one bit */struct mutex    lock;
#ifdef CONFIG_CMA_DEBUGFSstruct hlist_head mem_head;spinlock_t mem_head_lock;
#endifconst char *name;
};extern struct cma cma_areas[MAX_CMA_AREAS];
extern unsigned cma_area_count;

base_pfn：CMA区域物理地址的起始页帧号；
count：CMA区域总体的页数；
*bitmap：位图，用于描述页的分配情况；
order_per_bit：位图中每个bit描述的物理页面的order值，其中页面数为2^order值；

来一张图就会清晰明了：

资料直通车：Linux内核源码技术学习路线+视频教程内核源码

学习直通车：Linux内核源码内存调优文件系统进程管理设备驱动/网络协议栈

3. 流程分析

3.1 CMA区域创建

3.1.1 方式一根据dts来配置

之前的文章也都分析过，物理内存的描述放置在dts中，最终会在系统启动过程中，对dtb文件进行解析，从而完成内存信息注册。

CMA的内存在dts中的描述示例如下图：

在dtb解析过程中，会调用到rmem_cma_setup函数：

RESERVEDMEM_OF_DECLARE(cma, "shared-dma-pool", rmem_cma_setup);

3.1.2 方式二根据参数或宏配置

可以通过内核参数或配置宏，来进行CMA区域的创建，最终会调用到cma_declare_contiguous函数，如下图：

3.2 CMA添加到Buddy System

在创建完CMA区域后，该内存区域成了保留区域，如果单纯给驱动使用，显然会造成内存的浪费，因此内存管理模块会将CMA区域添加到Buddy System中，用于可移动页面的分配和管理。CMA区域是通过cma_init_reserved_areas接口来添加到Buddy System中的。

core_initcall(cma_init_reserved_areas);

core_initcall宏将cma_init_reserved_areas函数放置到特定的段中，在系统启动的时候会调用到该函数。

3.3 CMA分配/释放

CMA分配，入口函数为cma_alloc：

CMA释放，入口函数为cma_release：函数比较简单，直接贴上代码

/*** cma_release() - release allocated pages* @cma:   Contiguous memory region for which the allocation is performed.* @pages: Allocated pages.* @count: Number of allocated pages.** This function releases memory allocated by alloc_cma().* It returns false when provided pages do not belong to contiguous area and* true otherwise.*/
bool cma_release(struct cma *cma, const struct page *pages, unsigned int count)
{unsigned long pfn;if (!cma || !pages)return false;pr_debug("%s(page %p)\n", __func__, (void *)pages);pfn = page_to_pfn(pages);if (pfn < cma->base_pfn || pfn >= cma->base_pfn + cma->count)return false;VM_BUG_ON(pfn + count > cma->base_pfn + cma->count);free_contig_range(pfn, count);cma_clear_bitmap(cma, pfn, count);trace_cma_release(pfn, pages, count);return true;
}

3.4 DMA使用

代码参考driver/base/dma-contiguous.c，主要包括的接口有：

/*** dma_alloc_from_contiguous() - allocate pages from contiguous area* @dev:   Pointer to device for which the allocation is performed.* @count: Requested number of pages.* @align: Requested alignment of pages (in PAGE_SIZE order).* @gfp_mask: GFP flags to use for this allocation.** This function allocates memory buffer for specified device. It uses* device specific contiguous memory area if available or the default* global one. Requires architecture specific dev_get_cma_area() helper* function.*/
struct page *dma_alloc_from_contiguous(struct device *dev, size_t count,unsigned int align, gfp_t gfp_mask);/*** dma_release_from_contiguous() - release allocated pages* @dev:   Pointer to device for which the pages were allocated.* @pages: Allocated pages.* @count: Number of allocated pages.** This function releases memory allocated by dma_alloc_from_contiguous().* It returns false when provided pages do not belong to contiguous area and* true otherwise.*/
bool dma_release_from_contiguous(struct device *dev, struct page *pages,int count);

在上述的接口中，实际调用的就是cma_alloc/cma_release接口来实现的。

整体来看，CMA分配器还是比较简单易懂，也不再深入分析。