PMM과 VMM의 page 소유권

QUESTION

PMM과 VMM의 page 소유권 단계에서 실제로 바뀌는 상태는 무엇인가?

STRUCTURE

객체와 주소가 놓이는 구조

CALL PATH

실행 흐름

STATE LEDGER

단계별 입력과 출력

각 단계의 입력과 처리 후 바뀌는 상태를 정리한 표다. 사용 중인 소스 버전에서 다른 필드를 변경한다면 그에 맞춰 표도 수정한다.

분석 범위의 전제와 비교해, 다음 단계에 잘못된 입력을 넘긴 부분부터 조사한다.

VISUAL WALKTHROUGH

주소와 객체의 이동을 그림으로 읽기

아래 그림은 주소, 객체를 사용하는 기간, 제어권을 넘기는 시점을 중심으로 정리했다. 실제 주소와 크기는 사용 중인 보드의 bdinfo, 맵 파일과 링커 심벌로 확인한다.

UPSTREAM SOURCE

원본 코드

아래 코드는 LK upstream 1eb9917의 kernel/vm/pmm.c에서 38-126줄을 그대로 가져온 것이다. 설명을 위해 실제 코드를 가짜 의사 코드로 바꾸지 않았다.

38    return !(page->flags & VM_PAGE_FLAG_NONFREE);
39}
40
41paddr_t vm_page_to_paddr(const vm_page_t *page) {
42    pmm_arena_t *a;
43    list_for_every_entry(&arena_list, a, pmm_arena_t, node) {
44        if (PAGE_BELONGS_TO_ARENA(page, a)) {
45            return PAGE_ADDRESS_FROM_ARENA(page, a);
46        }
47    }
48    return -1;
49}
50
51vm_page_t *paddr_to_vm_page(paddr_t addr) {
52    pmm_arena_t *a;
53    list_for_every_entry(&arena_list, a, pmm_arena_t, node) {
54        if (addr >= a->base && addr <= a->base + a->size - 1) {
55            size_t index = (addr - a->base) / PAGE_SIZE;
56            return &a->page_array[index];
57        }
58    }
59    return NULL;
60}
61
62status_t pmm_add_arena(pmm_arena_t *arena) {
63    LTRACEF("arena %p name '%s' base 0x%lx size 0x%zx\n", arena, arena->name, arena->base, arena->size);
64
65    DEBUG_ASSERT(IS_PAGE_ALIGNED(arena->base));
66    DEBUG_ASSERT(IS_PAGE_ALIGNED(arena->size));
67    DEBUG_ASSERT(arena->size > 0);
68
69    /* walk the arena list and add arena based on priority order */
70    pmm_arena_t *a;
71    list_for_every_entry(&arena_list, a, pmm_arena_t, node) {
72        if (a->priority > arena->priority) {
73            list_add_before(&a->node, &arena->node);
74            goto done_add;
75        }
76    }
77
78    /* walked off the end, add it to the end of the list */
79    list_add_tail(&arena_list, &arena->node);
80
81done_add:
82
83    /* zero out some of the structure */
84    arena->free_count = 0;
85    list_initialize(&arena->free_list);
86
87    /* allocate an array of pages to back this one */
88    size_t page_count = arena->size / PAGE_SIZE;
89    arena->page_array = boot_alloc_mem(page_count * sizeof(vm_page_t));
90
91    /* initialize all of the pages */
92    memset(arena->page_array, 0, page_count * sizeof(vm_page_t));
93
94    /* add them to the free list */
95    for (size_t i = 0; i < page_count; i++) {
96        vm_page_t *p = &arena->page_array[i];
97
98        list_add_tail(&arena->free_list, &p->node);
99
100        arena->free_count++;
101    }
102
103    return NO_ERROR;
104}
105
106size_t pmm_alloc_pages(uint count, struct list_node *list) {
107    LTRACEF("count %u\n", count);
108
109    /* list must be initialized prior to calling this */
110    DEBUG_ASSERT(list);
111
112    uint allocated = 0;
113    if (count == 0)
114        return 0;
115
116    mutex_acquire(&lock);
117
118    /* walk the arenas in order, allocating as many pages as we can from each */
119    pmm_arena_t *a;
120    list_for_every_entry(&arena_list, a, pmm_arena_t, node) {
121        while (allocated < count && a->free_count > 0) {
122            vm_page_t *page = list_remove_head_type(&a->free_list, vm_page_t, node);
123            if (!page)
124                goto done;
125
126            a->free_count--;

READING CONTRACT

발췌 범위와 읽기 기준

원문 38-126줄에는 앞뒤 문맥이 포함됩니다. 기준 구문 status_t pmm_add_arena(pmm_arena_t *arena)은 L62에 있습니다. 발췌 첫 줄을 함수 정의의 시작으로 해석하지 않습니다.

PMM page의 owner와 VMM mapping의 owner는 같지 않을 수 있다. mapping 제거와 physical page 반환이 어느 API에서 결합되는지 확인한다.

RELATED SOURCE

함께 읽어야 하는 원본 코드

첫 코드 조각만으로 동작이 완성되지 않는 경우 호출 매크로, 객체 정의와 실제 실행 목록을 같은 페이지에 묶었다. 각 조각은 같은 기준 commit에서 가져왔다.

96        vm_page_t *p = &arena->page_array[i];
97
98        list_add_tail(&arena->free_list, &p->node);
99
100        arena->free_count++;
101    }
102
103    return NO_ERROR;
104}
105
106size_t pmm_alloc_pages(uint count, struct list_node *list) {
107    LTRACEF("count %u\n", count);
108
109    /* list must be initialized prior to calling this */
110    DEBUG_ASSERT(list);
111
112    uint allocated = 0;
113    if (count == 0)
114        return 0;
115
116    mutex_acquire(&lock);
117
118    /* walk the arenas in order, allocating as many pages as we can from each */
119    pmm_arena_t *a;
120    list_for_every_entry(&arena_list, a, pmm_arena_t, node) {
121        while (allocated < count && a->free_count > 0) {
122            vm_page_t *page = list_remove_head_type(&a->free_list, vm_page_t, node);
123            if (!page)
124                goto done;
125
126            a->free_count--;
127
128            page->flags |= VM_PAGE_FLAG_NONFREE;
129            list_add_tail(list, &page->node);
130
131            allocated++;
132        }
133    }
134
135done:
136    mutex_release(&lock);
137    return allocated;
138}
139
140vm_page_t *pmm_alloc_page(void) {
141    struct list_node list = LIST_INITIAL_VALUE(list);
142
143    size_t ret = pmm_alloc_pages(1, &list);
144    if (ret == 0) {
145        return NULL;
146    }
147
148    DEBUG_ASSERT(ret == 1);
149
150    return list_peek_head_type(&list, vm_page_t, node);
151}
152
153size_t pmm_alloc_range(paddr_t address, uint count, struct list_node *list) {
154    LTRACEF("address 0x%lx, count %u\n", address, count);
155
156    DEBUG_ASSERT(list);
157
158    uint allocated = 0;
159    if (count == 0)
160        return 0;
161
162    address = ROUNDDOWN(address, PAGE_SIZE);
163
164    mutex_acquire(&lock);
165
166    /* walk through the arenas, looking to see if the physical page belongs to it */
167    pmm_arena_t *a;
168    list_for_every_entry(&arena_list, a, pmm_arena_t, node) {
169        while (allocated < count && ADDRESS_IN_ARENA(address, a)) {
170            size_t index = (address - a->base) / PAGE_SIZE;
171
172            DEBUG_ASSERT(index < a->size / PAGE_SIZE);
173
174            vm_page_t *page = &a->page_array[index];
175            if (page->flags & VM_PAGE_FLAG_NONFREE) {
176                /* we hit an allocated page */

DETAILS

내부 동작을 더 깊게 읽기

IMPLEMENTATION NOTES

구현을 읽을 때 놓치기 쉬운 부분

OBJECT LIFETIME

객체와 수명

FAILURE PATH

실패 지점과 증상

로그가 끊긴 함수뿐 아니라 그 함수에 주소, 크기, 플래그를 전달한 앞 단계도 조사한다. 오류 처리 후 등록된 객체나 하드웨어 설정이 그대로 남아 있는지도 확인한다.

EVIDENCE

소스 밖에서 확인할 증거

소스에서 파악한 동작을 실제 빌드 결과와 대상 보드의 로그로 확인한다. 아래 명령의 보드 이름과 툴체인 접두사는 사용 중인 빌드 환경에 맞게 바꾼다.

LAB

직접 확인할 실험

1. 01
   pmm arena와 reserved range 출력

   pmm_add_arena 진입 전후에 physical pages의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다.

2. 02
   map/unmap 뒤 page free count 비교

   page allocation 진입 전후에 pmm arena lists의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다.

3. 03
   동일 VA remap 후 TLB 동작 확인

   vmm mapping 진입 전후에 arch page tables의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다.

PRIMARY REFERENCES

원문과 다음 글