如何提升CMA利用率？

要实现大块连续物理地址内存的分配，首先面临的问题就是：大块连续的物理内存从哪里找？

这里有两个方案：

方案一：在系统开机时，从整机内存中划分一块出来作为 CMA 区域的预留。

方案二：当多媒体业务启动时，再清理出一块物理地址连续的空闲内存。

显然，第一个方案对多媒体业务是最可靠、最友好的。但是缺点也很明显，即在非多媒体业务场景，预留的 CMA 区域无法得到利用，整机内存利用率变低了。第二个方案对整机友好，因为没有 CMA 预留，整机内存利用率相比方案一更高。但是由于碎片化问题，随着系统运行获取连续物理内存越来越耗时，影响多媒体业务的性能，甚至当内存分配失败时，会导致业务不可用。

综上所述，问题本质上是整机内存利用率与 CMA 业务性能之间的平衡。那么，CMA 如果解决上述问题呢？它采取了折中的办法：

• 开机时，系统预留出 CMA 区域。

• 在 CMA 业务不使用时，允许其他业务有条件地使用 CMA 区域，条件是申请页面的属性必须是可迁移的。

• 当 CMA 业务使用时，把其他业务的页面迁移出 CMA 区域，以满足 CMA 业务的需求。

了解了 CMA 的产生背景和设计思路后，下面来看看 CMA 具体是如何工作的。

1.前置知识

在了解 CMA 如何工作之前，我们需要先了解一点有关迁移类型和 pageblock 的知识。

在 buddy 系统中管理着多种迁移类型（migrate type）的内存页面，不同的迁移类型有各自的用途。举例来说， MIGRATE_MOVABLE 表示保存在其页面的数据是可以被迁移的，这种迁移类型在磁盘缓存、进程页等方面贡献很大。MIGRATE_UNMOVABLE 表示该页面不能被迁移。

pageblock 是一个物理上连续的内存区域，它包含多个页面。例如，在 ARM64 中，一个 pageblock 的大小是 4MB，一个页面的大小为 4KB，每个 pageblock 管理着 1024 个页面。

页面的迁移类型与其所在的 pageblock 的迁移类型一致。当 buddy 系统接收到内存分配请求时，会根据请求标识从对应迁移类型的 pageblock 中分配页面。

当对应迁移类型的 pageblock 中页面不够分配时，buddy 系统会从其他的 pageblock 中获取页面。在一定条件下，这可能会改变一个 pageblock 的迁移类型。比如，请求一个不可移动的页面时，如果系统从 MIGRATE_MOVABLE 迁移类型的 pageblock 中分配页面，会导致这个 pageblock 的迁移类型变成 MIGRATE_UNMOVABLE。这个过程被称为 fallback。

对于 CMA 区域的内存页面，它并不希望被改变迁移类型，因此 CMA 引入了一个新的 MIGRATE_CMA 迁移类型。这种迁移类型具有一个重要的性质：不是所有的内存申请都能到该区域分配内存，只有可移动的页面才能从 MIGRATE_CMA 类型的 pageblock 中分配。

掌握了以上知识之后，下面我们来看看 CMA 的三个主要工作流程：创建 CMA 区域、分配 CMA 内存和释放 CMA 区域内存。

2. 创建CMA区域

创建 CMA 区域的流程如下：

（1）在启动阶段， CMA 通知 memblock 保留一部分内存。

（2）CMA 将这部分内存设置为 MIGRATE_CMA 迁移类型，并其返还给 buddy 系统。

系统中可能存在多个 CMA 区域。这些被预留的 CMA 区域由 buddy 系统管理。buddy 系统可以利用这部分页面用于满足可移动页面的分配请求，这样既保证了预留内存是物理连续的，又提高了整机内存利用率。

3. 分配CMA区域内存

CMA 业务通过 cma_alloc() 接口申请 CMA 区域内存。CMA 区域内存的分配过程如下：

（1）根据分配请求选择要分配的页面范围。

（2）将涉及该页面范围的 pageblock 从 buddy 系统中隔离。由于 buddy 系统不会从 MIGRATE_ISOLATE 迁移类型的 pageblock 分配页面，所以 CMA 将 pageblock 的迁移类型由 MIGRATE_CMA 变更为 MIGRATE_ISOLATE，从而实现隔离。如图 1 所示。

（3）在隔离后，将分配范围内已使用的页面进行迁移处理。迁移过程就是将页面内容复制到其他内存区域，并更新对该页面的引用。

（4）迁移完成后，pageblock 的迁移类型从 MIGRATE_ISOLATE 恢复为 MIGRATE_CMA，最后将这些页面返回给调用者。如图 2 所示。

4. 释放CMA区域内存

CMA 业务通过 cma_release () 接口释放 CMA 区域内存。释放过程就是简单迭代这些页面，将它们一一放回 buddy 系统。

上面为大家介绍了 CMA 的工作原理，接下来我们来看看 CMA 的代码是如何实现的。

（备注：这部分只是讲解主流程，并未面面俱到展开。具体细节，读者可以自行查阅代码。）

1. CMA管理结构

首先让我们来看一下 CMA 区域在代码中是怎么表示的。

CMA 区域抽象为 struct cma 结构：

struct cma {
        unsigned long   base_pfn;   // 区域的起始页帧号
        unsigned long   count;      // 区域所包含的总页面数量
        unsigned long   *bitmap;    // 位图，用于描述区域的分配单元的分配情况
        unsigned int order_per_bit; // 表示位图中一个bit所代表的页面数量（2^order_per_bit）
        char name[CMA_MAX_NAME];    // 区域名称
};


extern struct cma cma_areas[MAX_CMA_AREAS]; // CMA区域数组
extern unsigned cma_area_count;             // CMA区域总个数

CMA 区域通过 bitmap 进行管理，每个 bit 表示 2^order_per_bit 个页面。bit 为 0 则表示空闲，为 1 表示已占用。

系统中存在多个 CMA 区域， cma_areas[MAX_CMA_AREAS] 表示 CMA 区域数组，cma_area_count 表示 CMA 区域总个数。

2. 创建CMA区域

简单介绍完 CMA 的管理结构，下面我们来看创建过程。

CMA 区域的创建常用两种方式：

start_kernel()
`-|setup_arch()
  `-|arm_memblock_init()
    `-|dma_contiguous_reserve()
      `-|dma_contiguous_reserve_area()
        `-|cma_declare_contiguous()
          `-|cma_declare_contiguous_nid()
            `-|cma_init_reserved_mem() 

2. 使用 DTS 方式

这里以共享 CMA 区域（cma-default）创建流程为例：

首先，使用 DTS（Device Tree Source）描述当前要创建的 CMA 区域。

Reserved-memory {
  #address-cells = <1>;
  #size-cells = <1>;
  ranges;


  /* global autoconfigured region for contiguous allocations */
  linux,cma {
    compatible = "shared-dma-pool";
    reusable;
    size = <0x04000000>;
    alignment = <0x2000>;
    alloc-ranges = <0x00000000 0x20000000>;
    linux,cma-default;
  };
};

RESERVEDMEM_OF_DECLARE(dma, "shared-dma-pool", rmem_dma_setup);


rmem_cma_setup()
`-|cma_init_reserved_mem()

core_initcall(cma_init_reserved_areas);


cma_init_reserved_areas()
`-|for (i = 0; i < cma_area_count; i++)
  `-|cma_activate_area()
    `-|for (pfn = base_pfn; pfn < base_pfn + cma->count; pfn += pageblock_nr_pages)
      `-|init_cma_reserved_pageblock()
  `-|set_pageblock_migratetype(page, MIGRATE_CMA);
          |__free_pages(page, pageblock_order);

3.分配CMA区域内存

cma_alloc()
  `-|for (;;)
`-|alloc_contig_range()
  `-|start_isolate_page_range()
    |__alloc_contig_migrate_range()
    |isolate_freepages_range()
    |undo_isolate_page_range()

cma_release()
  `-|free_contig_range(pfn, count);
    |cma_clear_bitmap(cma, pfn, count);

问题2：部分Movable内存无法迁移导致cma_alloc失败

本文参考资料：

https://lwn.net/Articles/396707/

https://lwn.net/Articles/486301/

https://lwn.net/Articles/447405/

https://lwn.net/Articles/684611/

【转自OpenHarmony】