3. CMA核心数据结构：struct cma、struct cma_alloc、bitmap管理、pageblock类型

CMA（Contiguous Memory Allocator）在内核中通过一套精炼的数据结构来管理预留的连续内存区域。理解这些结构是掌握CMA分配与释放流程的基础。本章将深入剖析四个核心要素：struct cma（区域描述符）、struct cma_alloc（分配上下文）、bitmap管理（位图分配算法）以及pageblock类型（迁移类型标记）。

3.1 struct cma：CMA区域描述符

struct cma 是每个CMA区域在内核中的“身份证”。系统中可以存在多个CMA区域（例如：Camera专用、GPU专用、通用DMA），每个区域对应一个 struct cma 实例。

3.2 struct cma_alloc：分配上下文

当驱动发起一次CMA分配请求时，内核会创建一个 struct cma_alloc 实例来跟踪这次分配的生命周期。该结构体在较新内核版本中引入，用于替代分散的参数传递。

// 内核源码: include/linux/cma.h
struct cma_alloc {
    struct cma *cma;        // 所属CMA区域
    unsigned long start;    // 分配起始页框号
    unsigned long count;    // 分配页数
    unsigned int order;     // 分配阶 (2^order 页)
    gfp_t gfp_mask;        // 分配标志
    const char *owner;      // 分配者名称（调试用）
};

3.3 bitmap管理：分配与释放的核心算法

CMA使用位图（bitmap）来跟踪每个pageblock的分配状态。位图是CMA实现O(1)分配查找的关键数据结构。

3.3.1 位图与pageblock的映射关系

• 位图大小： cma->count >> cma->order_per_bit 位。
• 每位含义： 0表示空闲，1表示已分配（已隔离）。
• 分配阶： 当 order_per_bit = 0 时，每位对应一个pageblock（通常为2^0=1页，但实际pageblock大小由架构决定，如ARM64为4MB）。

3.3.2 分配流程（位图视角）

1. 计算所需位数： 根据请求的页数 count 和 order_per_bit，计算需要连续的 n 个空闲位。
2. 位图扫描： 调用 bitmap_find_next_zero_area() 查找连续 n 个零位。
3. 位图标记： 找到后，调用 bitmap_set() 将这些位全部置1。
4. 页面隔离： 将对应的物理页从伙伴系统迁移到CMA隔离列表。

3.3.3 释放流程（位图视角）

1. 位图清零： 调用 bitmap_clear() 将对应位清零。
2. 页面归还： 将物理页从隔离列表移回伙伴系统。
3. 迁移类型恢复： 将pageblock的迁移类型恢复为 MIGRATE_CMA。

3.4 pageblock类型：MIGRATE_CMA与迁移隔离

CMA依赖伙伴系统的pageblock迁移类型机制来实现内存的“动态隔离”。每个pageblock（通常为2^pageblock_order页，ARM64上为4MB）都有一个迁移类型标签。

3.4.1 关键迁移类型

3.4.2 CMA如何利用pageblock类型

• 初始化时： CMA区域内的所有pageblock被标记为 MIGRATE_CMA。
• 分配时： 当驱动请求CMA内存，内核将这些pageblock临时标记为 MIGRATE_ISOLATE，并将其中已分配的不可移动页迁移出去。
• 释放时： 将pageblock恢复为 MIGRATE_CMA，页面归还伙伴系统。
• 防止误用： 普通伙伴系统分配不会从 MIGRATE_CMA 类型的pageblock中分配内存，除非显式指定 GFP_CMA 标志。

3.5 数据结构协同工作示例

以下是一个典型的CMA分配调用链，展示各数据结构如何协同工作：

// 驱动调用示例
struct cma *cma = cma_areas[0];          // 获取CMA区域
struct cma_alloc alloc = {
    .cma = cma,
    .count = 256,                         // 请求256页（1MB）
    .order = 8,                           // 2^8 = 256页
    .gfp_mask = GFP_KERNEL,
    .owner = "my_driver",
};

// 1. cma_alloc() 内部调用 bitmap_find_next_zero_area()
//    在位图中查找连续256个零位
// 2. 找到后 bitmap_set() 标记为已分配
// 3. 将对应pageblock从 MIGRATE_CMA 切换为 MIGRATE_ISOLATE
// 4. 迁移pageblock中已有的不可移动页
// 5. 返回起始物理地址

unsigned long pfn = cma_alloc(&alloc);
if (pfn) {
    // 分配成功，pfn 指向连续256页的起始
    phys_addr_t pa = pfn << PAGE_SHIFT;
    // 驱动进行DMA映射...
}

3.6 本章小结