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Linux内核:内存管理——CMA机制

Linux内核中的CMA（连续内存区管理）机制是为了提供连续物理内存块，以满足某些特定设备和应用的需求。CMA机制的实现，主要是为了解决在嵌入式设备中，如摄像头、硬件视频解码器和编码器等设备的内存需求问题。这些设备往往需要较大的内存缓冲区，并且对内存的连续性和特定边界对齐有严格要求。CMA机制通过专门管理一块连续的物理内存区域，确保了设备在工作时能获得所需的连续内存资源，同时在不使用时，这部分内存可以被其他模块高效地利用。

在传统的Linux内核中，通过预留内存区域的方式来满足大块连续内存需求，但这种方式会导致一部分内存被固定占用，无法灵活地分配给其他模块使用。CMA机制的引入，使得系统能够动态地管理和分配这块连续的物理内存，使得它既可以满足特定设备在运行时的连续内存需求，又能在这些设备不工作时释放这部分内存，供其他模块申请使用，从而提高了内存的利用率和系统的整体效率。

在数据传输方向涉及DMA（直接内存访问）时，尤其是设备不支持scatter-gather形式的DMA或CPU不具备使用虚拟地址作为目标地址的IOMMU/SMMU机制时，连续的物理内存成为了必需。CMA机制在这种场景下显得尤为重要，因为它能够提供满足这些特殊需求的连续内存资源。

CMA区域的内存管理通过struct cma结构体进行，其中包含了起始物理页面地址、内存页面数量以及内存状态的位图标记等信息。CMA内存分配和释放接口与传统的DMA接口相集成，使得系统在调用CMA接口时，能够自动管理这块连续内存的分配和释放过程，实现内存资源的高效利用。

通过CMA机制，Linux内核能够在保证特定应用和设备需求的同时，最大化地提高系统的内存使用效率，这对于嵌入式设备和对内存管理有严格要求的应用场景尤为重要。

深入理解Linux内核最新的连续内存分配器(CMA)

在嵌入式Linux系统中，特别是使用ARM架构时，GPU、Camera、HDMI等硬件设备对连续内存有着高需求。然而，这通常导致内存资源的浪费，因为这部分内存大多在非工作时间处于空闲状态。为解决这一问题，Marek Szyprowski与Michal Nazarewicz开发了一套创新的连续内存分配器(CMA)。此机制允许系统在需要时动态分配内存，而非提前预留，从而更有效地利用内存资源。

这套CMA机制的实现始于内核启动期间。在arch/arm/mm/init.c文件中的arm_memblock_init()函数中，通过调用dma_contiguous_reserve(min(arm_dma_limit, arm_lowmem_limit))实现内存区域的声明。此函数位于drivers/base/dma-contiguous.c文件中，其定义的size_bytes参数默认为16MB（通过CONFIG_CMA_SIZE_MBYTES=16配置），此参数决定了预留连续内存的大小。

当执行dma_contiguous_reserve()函数时，它会将页设置为MIGRATE_CMA类型，并将其加入到free_list中。这一系列操作确保了内存的高效管理和分配，同时避免了内存资源的浪费。

在CMA机制中，内存的申请和释放遵循标准流程，但具有特殊处理。申请连续内存时，系统会通过dma_alloc_coherent()或dma_alloc_writecombine()函数进行操作，这些函数最终调用drivers/base/dma-contiguous.c中的相关函数，以实现页面的隔离和迁移。隔离页面是为了确保内存资源的高效利用，避免了内存的浪费。释放内存时，系统将页面归还给buddy系统，恢复其可用状态。

此外，内核内存分配过程中的migratetype标记提供了一种机制，以优化内存分配和释放流程。此标记将GFP_标志转化为适用于内存管理的migratetype，使得系统能够根据实际需求更灵活地管理内存资源。

综上所述，CMA机制通过动态分配连续内存，有效提高了嵌入式Linux系统内存的使用效率，减少了资源浪费。这种优化不仅适用于ARM架构的设备，对于其他架构的Linux系统同样具有参考价值。

linux那些事之contiguous memory allocator(CMA)

在Linux驱动开发中，连续大块物理内存的申请是常见需求，尤其是在DMA设备的应用场景中。然而，长时间运行的Linux系统会遇到严重的物理内存碎片化问题，虽然内存整理和回收可以清理出连续物理内存，但并不能确保始终能够申请到较大连续物理块。最初，为了解决DMA连续内存申请问题，内核专门划定了ZONE_DMA区用于DMA内存申请。随着各类设备驱动的出现，连续物理内存的需求日益增长，单纯划出预留内存以满足连续申请，会导致内存使用上的浪费，且不适应长期发展需求。

Michal Nazarewicz于2010年提出Contiguous Memory Allocator（CMA），旨在提供一个灵活的解决方案，以满足不同需求。CMA将物理内存中预留出特定区域专门用于连续内存申请，该区域不仅用于CMA内存申请，还能用于标记为可移动的内存申请，避免了内存浪费。当CMA需要连续物理内存时，若发现申请区域已被可移动内存使用，CMA将移动使用中的物理页，释放出空间用于连续内存分配。

CMA引入了MIGRATE_CMA迁移类型，用于内存管理，使得CMA区域可以用于分配可移动内存申请。当DMA或其他设备驱动使用时，已分配的页面将迁移到CMA预留内存之外，以便为连续物理内存分配腾出空间。CMA的数据管理结构由内核的struct cma cam_areas数组维护，最多支持MAX_CMA_AREAS个CMA区域，可根据实际需求进行配置。

内核提供了三种配置CMA区域的方式：通过设备树、内核命令行参数或内核配置。配置过程中需注意，x86平台默认CMA是关闭的，需要在配置文件中启用。CMA激活过程包括从memblock申请保留内存、初始化CMA区域信息、将CMA区域加入到buddy系统中，最终通过init_cma_reserved_pageblock将其加入到buddy系统中。

CMA内存申请主要通过dma_alloc_contiguous接口完成，该接口在DMA场景中使用，避免直接调用cma_alloc接口。整个过程可能会耗时较长，因为涉及到页迁移，以确保CMA区域的连续性。CMA在嵌入式设备中，尤其是内存资源有限且长期运行的场景下，经常被用作解决连续大块物理内存申请的问题。

开发过程中，内核提供了CMA调试功能，用于对CMA功能进行调试，需要开启CONFIG_CMA_DEBUG和CONFIG_CMA_DEBUGFS内核配置开关。开启后，可以在/sys/kernel/debug/cma目录下查看相关调试信息。

CMA的实现和使用细节，以及其在Linux系统中的作用，通过多篇LWN.net的文章进行了详细的阐述和讨论。本文旨在提供一个简要概述，以帮助理解CMA在Linux驱动开发和内存管理中的应用和价值。