<code>Read the fucking source code!</code> --By 魯迅
<code>A picture is worth a thousand words.</code> --By 高爾基
說明：
Kernel版本：4.14
ARM64處理器，Contex-A53，雙核
使用工具：Source Insight 3.5， Visio
在之前的系列文章中，分析到了<code>Buddy System</code>的頁框配置設定，<code>Slub配置設定器</code>的小塊記憶體對象配置設定，這些配置設定的位址都是實體記憶體連續的。當記憶體碎片後，連續實體記憶體的配置設定就會變得困難，可以使用<code>vmap</code>機制，将不連續的實體記憶體頁框映射到連續的虛拟位址空間中。<code>vmalloc</code>的配置設定就是基于這個機制來實作的。
還記得下邊這張圖嗎？
<code>vmap/vmalloc</code>的區域就是在<code>VMALLOC_START ~ VMALLOC_END</code>之間。
開啟探索之旅吧。
這兩個資料結構比較簡單，直接上代碼：
<code>struct vmap_area</code>用于描述一段虛拟位址的區域，從結構體中<code>va_start/va_end</code>也能看出來。同時該結構體會通過<code>rb_node</code>挂在紅黑樹上，通過<code>list</code>挂在連結清單上。
<code>struct vmap_area</code>中<code>vm</code>字段是<code>struct vm_struct</code>結構，用于管理虛拟位址和實體頁之間的映射關系，可以将<code>struct vm_struct</code>構成一個連結清單，維護多段映射。
關系如下圖：
紅黑樹，本質上是一種二叉查找樹，它在二叉查找樹的基礎上增加了着色相關的性質，提升了紅黑樹在查找，插入，删除時的效率。在紅黑樹中，節點已經進行排序，對于每個節點，左側的的元素都在節點之前，右側的元素都在節點之後。
紅黑樹必須滿足以下四條規則：
每個節點不是紅就是黑；
紅黑樹的根必須是黑；
紅節點的子節點必須為黑；
從節點到子節點的每個路徑都包含相同數量的黑節點，統計黑節點個數時，空指針也算黑節點；
定義如下：
由于核心會頻繁的進行<code>vmap_area</code>的查找，紅黑樹的引入就是為了解決當查找數量非常多時效率低下的問題，在紅黑樹中，搜尋元素，插入，删除等操作，都會變得非常高效。至于紅黑樹的算法操作，本文就不再深入分析，知道它的用途即可。
<code>vmap</code>函數，完成的工作是，在<code>vmalloc</code>虛拟位址空間中找到一個空閑區域，然後将<code>page頁面數組</code>對應的實體記憶體映射到該區域，最終傳回映射的虛拟起始位址。
整體流程如下：
操作流程比較簡單，來一個樣例分析，就清晰明了了：
<code>vmap</code>調用中，關鍵函數為<code>alloc_vmap_area</code>，它先通過<code>vmap_area_root</code>二叉樹來查找第一個區域<code>first vm_area</code>，然後根據這個<code>first vm_area</code>去查找<code>vmap_area_list</code>連結清單中滿足大小的空間區域。
在<code>alloc_vmap_area</code>函數中，有幾個全局的變量：
用于緩存上一次配置設定成功的<code>vmap_area</code>，其中<code>cached_hole_size</code>用于記錄緩存<code>vmap_area</code>對應區域之前的空洞的大小。緩存機制當然也是為了提高配置設定的效率。
<code>vunmap</code>執行的是跟<code>vmap</code>相反的過程：從<code>vmap_area_root/vmap_area_list</code>中查找<code>vmap_area</code>區域，取消頁表映射，再從<code>vmap_area_root/vmap_area_list</code>中删除掉<code>vmap_area</code>，頁面返還給夥伴系統等。由于映射關系有改動，是以還需要進行TLB的重新整理，頻繁的TLB重新整理會降低性能，是以将其延遲進行處理，是以稱為<code>lazy tlb</code>。
來看看逆過程的流程：
<code>vmalloc</code>用于配置設定一個大的連續虛拟位址空間，該空間在實體上不連續的，是以也就不能用作DMA緩沖區。<code>vmalloc</code>配置設定的線性位址區域，在文章開頭的圖檔中也描述了：<code>VMALLOC_START ~ VMALLOC_END</code>。
直接分析調用流程：
從過程中可以看出，<code>vmalloc</code>和<code>vmap</code>的操作，大部分的邏輯操作是一樣的，比如從<code>VMALLOC_START ~ VMALLOC_END</code>區域之間查找并配置設定<code>vmap_area</code>， 比如對虛拟位址和實體頁框進行映射關系的建立。不同之處，在于<code>vmap</code>建立映射時，<code>page</code>是函數傳入進來的，而<code>vmalloc</code>是通過調用<code>alloc_page</code>接口向Buddy System申請配置設定的。
<code>vmalloc VS kmalloc</code>
到現在，我們應該能清楚<code>vmalloc</code>和<code>kmalloc</code>的差異了吧，<code>kmalloc</code>會根據申請的大小來選擇基于<code>slub配置設定器</code>或者基于<code>Buddy System</code>來申請連續的實體記憶體。而<code>vmalloc</code>則是通過<code>alloc_page</code>申請<code>order = 0</code>的頁面，再映射到連續的虛拟空間中，實體位址不連續，此外<code>vmalloc</code>可以休眠，不應在中斷處理程式中使用。
與<code>vmalloc</code>相比，<code>kmalloc</code>使用<code>ZONE_DMA和ZONE_NORMAL</code>空間，性能更快，缺點是連續實體記憶體空間的配置設定容易帶來碎片問題，讓碎片的管理變得困難。
直接上代碼：
如果在中斷上下文中，則推遲釋放，否則直接調用<code>__vunmap</code>，是以它的邏輯基本和<code>vunmap</code>一緻，不再贅述了。
作者：LoyenWang
出處：https://www.cnblogs.com/LoyenWang/
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