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+ +在 ops->invalidate() 回调期间，设备驱动程序必须对范围执行更新操作（将范围标记为只 +读，或完全取消映射等）。设备必须在驱动程序回调返回之前完成更新。 + +当设备驱动程序想要填充一个虚拟地址范围时，它可以使用:: + + int hmm_range_fault(struct hmm_range *range); + +如果请求写访问，它将在丢失或只读条目上触发缺页异常（见下文）。缺页异常使用通用的 mm 缺 +页异常代码路径，就像 CPU 缺页异常一样。 + +这两个函数都将 CPU 页表条目复制到它们的 pfns 数组参数中。该数组中的每个条目对应于虚拟 +范围中的一个地址。HMM 提供了一组标志来帮助驱动程序识别特殊的 CPU 页表项。 + +在 sync_cpu_device_pagetables() 回调中锁定是驱动程序必须尊重的最重要的方面，以保 +持事物正确同步。使用模式是:: + + int driver_populate_range(...) + { + struct hmm_range range; + ... + + range.notifier = &interval_sub; + range.start = ...; + range.end = ...; + range.hmm_pfns = ...; + + if (!mmget_not_zero(interval_sub->notifier.mm)) + return -EFAULT; + + again: + range.notifier_seq = mmu_interval_read_begin(&interval_sub); + mmap_read_lock(mm); + ret = hmm_range_fault(&range); + if (ret) { + mmap_read_unlock(mm); + if (ret == -EBUSY) + goto again; + return ret; + } + mmap_read_unlock(mm); + + take_lock(driver->update); + if (mmu_interval_read_retry(&ni, range.notifier_seq) { + release_lock(driver->update); + goto again; + } + + /* Use pfns array content to update device page table, + * under the update lock */ + + release_lock(driver->update); + return 0; + } + +driver->update 锁与驱动程序在其 invalidate() 回调中使用的锁相同。该锁必须在调用 +mmu_interval_read_retry() 之前保持，以避免与并发 CPU 页表更新发生任何竞争。 + +利用 default_flags 和 pfn_flags_mask +==================================== + +hmm_range 结构有 2 个字段，default_flags 和 pfn_flags_mask，它们指定整个范围 +的故障或快照策略，而不必为 pfns 数组中的每个条目设置它们。 + +例如，如果设备驱动程序需要至少具有读取权限的范围的页面，它会设置:: + + range->default_flags = HMM_PFN_REQ_FAULT; + range->pfn_flags_mask = 0; + +并如上所述调用 hmm_range_fault()。这将填充至少具有读取权限的范围内的所有页面。 + +现在假设驱动程序想要做同样的事情，除了它想要拥有写权限的范围内的一页。现在驱动程序设 +置:: + + range->default_flags = HMM_PFN_REQ_FAULT; + range->pfn_flags_mask = HMM_PFN_REQ_WRITE; + range->pfns[index_of_write] = HMM_PFN_REQ_WRITE; + +有了这个，HMM 将在至少读取（即有效）的所有页面中异常，并且对于地址 +== range->start + (index_of_write << PAGE_SHIFT) 它将异常写入权限，即，如果 +CPU pte 没有设置写权限，那么HMM将调用handle_mm_fault()。 + +hmm_range_fault 完成后，标志位被设置为页表的当前状态，即 HMM_PFN_VALID | 如果页 +面可写，将设置 HMM_PFN_WRITE。 + + +从核心内核的角度表示和管理设备内存 +================================== + +尝试了几种不同的设计来支持设备内存。第一个使用特定于设备的数据结构来保存有关迁移内存 +的信息，HMM 将自身挂接到 mm 代码的各个位置，以处理对设备内存支持的地址的任何访问。 +事实证明，这最终复制了 struct page 的大部分字段，并且还需要更新许多内核代码路径才 +能理解这种新的内存类型。 + +大多数内核代码路径从不尝试访问页面后面的内存，而只关心struct page的内容。正因为如此， +HMM 切换到直接使用 struct page 用于设备内存，这使得大多数内核代码路径不知道差异。 +我们只需要确保没有人试图从 CPU 端映射这些页面。 + +移入和移出设备内存 +================== + +由于 CPU 无法直接访问设备内存，因此设备驱动程序必须使用硬件 DMA 或设备特定的加载/存 +储指令来迁移数据。migrate_vma_setup()、migrate_vma_pages() 和 +migrate_vma_finalize() 函数旨在使驱动程序更易于编写并集中跨驱动程序的通用代码。 + +在将页面迁移到设备私有内存之前，需要创建特殊的设备私有 ``struct page`` 。这些将用 +作特殊的“交换”页表条目，以便 CPU 进程在尝试访问已迁移到设备专用内存的页面时会发生异常。 + +这些可以通过以下方式分配和释放:: + + struct resource *res; + struct dev_pagemap pagemap; + + res = request_free_mem_region(&iomem_resource, /* number of bytes */, + "name of driver resource"); + pagemap.type = MEMORY_DEVICE_PRIVATE; + pagemap.range.start = res->start; + pagemap.range.end = res->end; + pagemap.nr_range = 1; + pagemap.ops = &device_devmem_ops; + memremap_pages(&pagemap, numa_node_id()); + + memunmap_pages(&pagemap); + release_mem_region(pagemap.range.start, range_len(&pagemap.range)); + +还有devm_request_free_mem_region(), devm_memremap_pages(), +devm_memunmap_pages() 和 devm_release_mem_region() 当资源可以绑定到 ``struct device``. + +整体迁移步骤类似于在系统内存中迁移 NUMA 页面(see :ref:`Page migration <page_migration>`) ， +但这些步骤分为设备驱动程序特定代码和共享公共代码: + +1. ``mmap_read_lock()`` + + 设备驱动程序必须将 ``struct vm_area_struct`` 传递给migrate_vma_setup()， + 因此需要在迁移期间保留 mmap_read_lock() 或 mmap_write_lock()。 + +2. ``migrate_vma_setup(struct migrate_vma *args)`` + + 设备驱动初始化了 ``struct migrate_vma`` 的字段，并将该指针传递给 + migrate_vma_setup()。``args->flags`` 字段是用来过滤哪些源页面应该被迁移。 + 例如，设置 ``MIGRATE_VMA_SELECT_SYSTEM`` 将只迁移系统内存，设置 + ``MIGRATE_VMA_SELECT_DEVICE_PRIVATE`` 将只迁移驻留在设备私有内存中的页 + 面。如果后者被设置， ``args->pgmap_owner`` 字段被用来识别驱动所拥有的设备 + 私有页。这就避免了试图迁移驻留在其他设备中的设备私有页。目前，只有匿名的私有VMA + 范围可以被迁移到系统内存和设备私有内存。 + + migrate_vma_setup()所做的第一步是用 ``mmu_notifier_invalidate_range_start()`` + 和 ``mmu_notifier_invalidate_range_end()`` 调用来遍历设备周围的页表，使 + 其他设备的MMU无效，以便在 ``args->src`` 数组中填写要迁移的PFN。 + ``invalidate_range_start()`` 回调传递给一个``struct mmu_notifier_range`` ， + 其 ``event`` 字段设置为MMU_NOTIFY_MIGRATE， ``owner`` 字段设置为传递给 + migrate_vma_setup()的 ``args->pgmap_owner`` 字段。这允许设备驱动跳过无 + 效化回调，只无效化那些实际正在迁移的设备私有MMU映射。这一点将在下一节详细解释。 + + + 在遍历页表时，一个 ``pte_none()`` 或 ``is_zero_pfn()`` 条目导致一个有效 + 的 “zero” PFN 存储在 ``args->src`` 阵列中。这让驱动分配设备私有内存并清 + 除它，而不是复制一个零页。到系统内存或设备私有结构页的有效PTE条目将被 + ``lock_page()``锁定，与LRU隔离（如果系统内存和设备私有页不在LRU上），从进 + 程中取消映射，并插入一个特殊的迁移PTE来代替原来的PTE。 migrate_vma_setup() + 还清除了 ``args->dst`` 数组。 + +3. 设备驱动程序分配目标页面并将源页面复制到目标页面。 + + 驱动程序检查每个 ``src`` 条目以查看该 ``MIGRATE_PFN_MIGRATE`` 位是否已 + 设置并跳过未迁移的条目。设备驱动程序还可以通过不填充页面的 ``dst`` 数组来选 + 择跳过页面迁移。 + + 然后，驱动程序分配一个设备私有 struct page 或一个系统内存页，用 ``lock_page()`` + 锁定该页，并将 ``dst`` 数组条目填入:: + + dst[i] = migrate_pfn(page_to_pfn(dpage)); + + 现在驱动程序知道这个页面正在被迁移，它可以使设备私有 MMU 映射无效并将设备私有 + 内存复制到系统内存或另一个设备私有页面。由于核心 Linux 内核会处理 CPU 页表失 + 效，因此设备驱动程序只需使其自己的 MMU 映射失效。 + + 驱动程序可以使用 ``migrate_pfn_to_page(src[i])`` 来获取源设备的 + ``struct page`` 面，并将源页面复制到目标设备上，如果指针为 ``NULL`` ，意 + 味着源页面没有被填充到系统内存中，则清除目标设备的私有内存。 + +4. ``migrate_vma_pages()`` + + 这一步是实际“提交”迁移的地方。 + + 如果源页是 ``pte_none()`` 或 ``is_zero_pfn()`` 页，这时新分配的页会被插 + 入到CPU的页表中。如果一个CPU线程在同一页面上发生异常，这可能会失败。然而，页 + 表被锁定，只有一个新页会被插入。如果它失去了竞争，设备驱动将看到 + ``MIGRATE_PFN_MIGRATE`` 位被清除。 + + 如果源页被锁定、隔离等，源 ``struct page`` 信息现在被复制到目标 + ``struct page`` ，最终完成CPU端的迁移。 + +5. 设备驱动为仍在迁移的页面更新设备MMU页表，回滚未迁移的页面。 + + 如果 ``src`` 条目仍然有 ``MIGRATE_PFN_MIGRATE`` 位被设置，设备驱动可以 + 更新设备MMU，如果 ``MIGRATE_PFN_WRITE`` 位被设置，则设置写启用位。 + +6. ``migrate_vma_finalize()`` + + 这一步用新页的页表项替换特殊的迁移页表项，并释放对源和目的 ``struct page`` + 的引用。 + +7. ``mmap_read_unlock()`` + + 现在可以释放锁了。 + +独占访问存储器 +============== + +一些设备具有诸如原子PTE位的功能，可以用来实现对系统内存的原子访问。为了支持对一 +个共享的虚拟内存页的原子操作，这样的设备需要对该页的访问是排他的，而不是来自CPU +的任何用户空间访问。 ``make_device_exclusive_range()`` 函数可以用来使一 +个内存范围不能从用户空间访问。 + +这将用特殊的交换条目替换给定范围内的所有页的映射。任何试图访问交换条目的行为都会 +导致一个异常，该异常会通过用原始映射替换该条目而得到恢复。驱动程序会被通知映射已 +经被MMU通知器改变，之后它将不再有对该页的独占访问。独占访问被保证持续到驱动程序 +放弃页面锁和页面引用为止，这时页面上的任何CPU异常都可以按所述进行。 + +内存 cgroup (memcg) 和 rss 统计 +=============================== + +目前，设备内存被视为 rss 计数器中的任何常规页面（如果设备页面用于匿名，则为匿名， +如果设备页面用于文件支持页面，则为文件，如果设备页面用于共享内存，则为 shmem）。 +这是为了保持现有应用程序的故意选择，这些应用程序可能在不知情的情况下开始使用设备 +内存，运行不受影响。 + +一个缺点是 OOM 杀手可能会杀死使用大量设备内存而不是大量常规系统内存的应用程序， +因此不会释放太多系统内存。在决定以不同方式计算设备内存之前，我们希望收集更多关 +于应用程序和系统在存在设备内存的情况下在内存压力下如何反应的实际经验。 + +对内存 cgroup 做出了相同的决定。设备内存页面根据相同的内存 cgroup 计算，常规 +页面将被计算在内。这确实简化了进出设备内存的迁移。这也意味着从设备内存迁移回常规 +内存不会失败，因为它会超过内存 cgroup 限制。一旦我们对设备内存的使用方式及其对 +内存资源控制的影响有了更多的了解，我们可能会在后面重新考虑这个选择。 + +请注意，设备内存永远不能由设备驱动程序或通过 GUP 固定，因此此类内存在进程退出时 +总是被释放的。或者在共享内存或文件支持内存的情况下，当删除最后一个引用时。 |