page_address()函数分析--如何通过page取得虚拟地址

由于X86平台上面，内存是划分为低端内存和高端内存的，所以在两个区域内的page查找对应的虚拟地址是不一样的。

一. x86上关于page_address()函数的定义

在include/linux/mm.h里面，有对page_address()函数的三种宏定义,主要依赖于不同的平台：

首先来看看几个宏的定义：
CONFIG_HIGHMEM:顾名思义，就是是否支持高端内存，可以查看config文件，一般推荐内存超过896M的时候，才配置为支持高端内存。
WANT_PAGE_VIRTUAL：X86平台是没有定义的。
所以下面的HASHED_PAGE_VIRTUAL在支持高端内存的i386平台上是有定义的

#if defined(CONFIG_HIGHMEM) && !defined(WANT_PAGE_VIRTUAL)
#define HASHED_PAGE_VIRTUAL
#endif

1.//所以这里是假的，page_address()在i386上不是在这里定义的

    #if defined(WANT_PAGE_VIRTUAL)


    #define page_address(page) ((page)->virtual)

    #define set_page_address(page, address) \\
    do { \\
    (page)->virtual = (address); \\
    } while(0)
    #define page_address_init() do { } while(0)
    #endif

2.//在没有配置CONFIG_HIGHMEM的i386平台上，page_address是在这里定义的

#if !defined(HASHED_PAGE_VIRTUAL) && !defined(WANT_PAGE_VIRTUAL)

#define page_address(page) lowmem_page_address(page)

#define set_page_address(page, address) do { } while(0)

#define page_address_init() do { } while(0)

#endif

3.//所以支持高端内存的i386平台上，page_address()是在这里定义的

#if defined(HASHED_PAGE_VIRTUAL)

    void *page_address(struct page *page);

    void set_page_address(struct page *page, void *virtual);

    void page_address_init(void);

    #endif

二. 在低端内存中的page对应的page_address()的实现
在没有配置CONFIG_HIGHMEM的i386平台上，page_address()是等同于lowmem_page_address():

#define page_address(page) lowmem_page_address(page)

static __always_inline void *lowmem_page_address(struct page *page)
{
return __va(page_to_pfn(page) << PAGE_SHIFT);
}

#define page_to_pfn(page) ((unsigned long)((page) - mem_map) + \
                                 ARCH_PFN_OFFSET)

 

#define __va(x) ((void *)((unsigned long)(x) + PAGE_OFFSET))


我们知道，在小于896M（低端内存）的物理地址空间和3G--3G+896M的线性地址空间是一一对应映射的，所以我们只要知道page所对应的物理地址，就可以知道这个page对应的线性地址空间（pa+PAGE_OFFSET）。
那如何找一个page对应的物理地址呢？我们知道物理内存按照大小为（1<<PAGE_SHIFT）分为很多个页，每个这样的页就对应一个struct page * page结构，这些页描述结构存放在一个称之为mem_map的数组里面，而且是严格按照物理内存的顺序来存放的，也就是物理上的第一个页描述结构，作为mem_map数组的第一个元素，依次类推。所以，每个页描述结构（page）在数组mem_map里的位置在乘以页的大小，就可以得到该页的物理地址了。上面的代码就是依照这个原理来的：
page_to_pfn(page)函数就是得到每个page在mem_map里的位置，左移PAGE_SHIFT就是乘以页的大小，这就得到了该页的物理地址。这个物理地址加上个PAGE_OFFSET(3G)就得到了该page的线性地址了

在低端内存中（小于896M）,通过页（struct page * page）取得虚拟地址就是这样转换的。

三. 在高端内存中的page对应的page_address()的实现：

在有配置CONFIG_HIGHMEM的i386平台上,page_address是在mm/highmem.c里面实现的:


/**
* page_address - get the mapped virtual address of a page
* @page: &struct page to get the virtual address of
*
* Returns the page\'s virtual address.
*/
void *page_address(struct page *page)
{


unsigned long flags;
void *ret;
struct page_address_slot *pas;

if (!PageHighMem(page)) //判断是否属于高端内存，如果不是，那么就是属于低 
                         端内存的，通过上面的方法可以直接找到
    return lowmem_page_address(page);

pas = page_slot(page); //见下分析，pas指向page对应的page_address_map结构所在的链表表头

ret = NULL;
spin_lock_irqsave(&pas->lock, flags);
if (!list_empty(&pas->lh)) {

struct page_address_map *pam;

list_for_each_entry(pam, &pas->lh, list) {
if (pam->page == page) {

ret = pam->virtual;
goto done;

}


}

}
done:
spin_unlock_irqrestore(&pas->lock, flags);
return ret;

}

在高端内存中，由于不能通过像在低端内存中一样，直接通过物理地址加PAGE_OFFSET得到线性地址，所以引入了一个结构叫做 page_address_map结构，该结构保存有每个page（仅高端内存中的）和对应的虚拟地址，所有的高端内存中的这种映射都通过链表链接起来，这个结构是在高端内存映射的时候建立，并加入到链表中的。

/*
* Describes one page->virtual association
*/
struct page_address_map {
struct page *page; //page
void *virtual; //虚拟地址
struct list_head list; //指向下一个该结构
};

又因为如果内存远远大于896M，那么高端内存中的page就比较多(（内存-896M）/4K个页，假设页大小为4K），如果只用一个链表来表示，那么查找起来就比较耗时了，所以这里引入了HASH算法，采用多个链表，每个page通过一定的hash算法，对应到一个链表上，总够有128个链表：

/*
* Hash table bucket
*/
static struct page_address_slot {
struct list_head lh; // List of page_address_maps 指向一个  

                     //page_address_map结构 链表
spinlock_t lock; /* Protect this bucket\'s list */ 
}page_address_htable[1<<PA_HASH_ORDER];

PA_HASH_ORDER=7, 所以一共有1<<7（128）个链表，每一个page通过HASH算法后对应一个 page_address_htable链表, 然后再遍历这个链表来找到对应的PAGE和虚拟地址。
page通过HASH算法后对应一个 page_address_htable链表的代码如下：

static struct page_address_slot *page_slot(struct page *page)
{
return &page_address_htable[hash_ptr(page, PA_HASH_ORDER)];
}

hash_ptr(val, bits)函数在32位的机器上是一个很简单的hash算法，就是把val乘一个黄金值 GOLDEN_RATIO_PRIME_32，在把得到的结果（32位）取高 bits位 （这里就是7位）作为哈希表的索引

static inline u32 hash_32(u32 val, unsigned int bits)
{
/* On some cpus multiply is faster, on others gcc will do shifts */
u32 hash = val * GOLDEN_RATIO_PRIME_32;

/* High bits are more random, so use them. */
return hash >> (32 - bits);
}

这样pas = page_slot(page)执行过后，pas就指向该page对应的page_address_map结构所在的链表的表头。
然后再遍历这个链表，就可以找到对应的线性地址（如果存在的话），否则就返回NULL

list_for_each_entry(pam, &pas->lh, list) {
   if (pam->page == page) {
      ret = pam->virtual;
      goto done;
   }
}