읽는 지도
메모리 코드는 address translation, physical page ownership, reclaim policy, allocation latency가 한꺼번에 얽힌다. 이 층을 박사급으로 읽는다는 것은 '어느 page가 지금 누구 소유인가'와 '그 소유권을 어떤 lock/refcount가 증명하는가'를 끝까지 추적한다는 뜻이다.
함수 이름보다 입력 객체와 출력 객체를 먼저 본다. 이 토픽에서 어떤 구조체가 생성, 연결, publish, retire되는지 표시한다.
정상 경로와 실패 경로를 같은 무게로 본다. kernel code의 품질은 성공 path보다 error unwind, hotplug, teardown에서 더 잘 드러난다.
왼쪽은 입력 또는 상위 계층이고, 오른쪽으로 갈수록 실제 상태 변경이 커진다. 문C식으로 읽을 때는 이 그림을 먼저 머리에 놓고 코드 조각을 끼워 넣는다.
원본 코드 좌표
Linux 6.18.37 LTS에서 열 파일
Linux 6.18.37 LTS: mm/vmalloc.c
Linux 6.18.37 LTS: include/linux/vmalloc.h
Linux 6.18.37 LTS: mm/ioremap.c설명: 첫 파일은 보통 진입 함수가 있는 곳이고, 나머지는 구조체 정의, architecture glue, callback 구현을 확인할 때 같이 연다. 파일을 여러 개 놓고 봐야 이 토픽의 boundary가 보인다.
GitHub 원본:
대표 코드
__vmalloc_node_range
/*
* Mark pages for non-VM_ALLOC mappings as accessible. Do it now as a
* best-effort approach, as they can be mapped outside of vmalloc code.
* For VM_ALLOC mappings, the pages are marked as accessible after
* getting mapped in __vmalloc_node_range().
* With hardware tag-based KASAN, marking is skipped for
* non-VM_ALLOC mappings, see __kasan_unpoison_vmalloc().
*/
if (!(flags & VM_ALLOC))
area->addr = kasan_unpoison_vmalloc(area->addr, requested_size,
KASAN_VMALLOC_PROT_NORMAL);
return area;
}
struct vm_struct *__get_vm_area_caller(unsigned long size, unsigned long flags,
unsigned long start, unsigned long end,
const void *caller)
{
return __get_vm_area_node(size, 1, PAGE_SHIFT, flags, start, end,
NUMA_NO_NODE, GFP_KERNEL, caller);
}
/**
* get_vm_area - reserve a contiguous kernel virtual area
* @size: size of the area
* @flags: %VM_IOREMAP for I/O mappings or VM_ALLOC
*
* Search an area of @size in the kernel virtual mapping area,
* and reserved it for out purposes. Returns the area descriptor
* on success or %NULL on failure.
*
* Return: the area descriptor on success or %NULL on failure.
*/
struct vm_struct *get_vm_area(unsigned long size, unsigned long flags)
{
return __get_vm_area_node(size, 1, PAGE_SHIFT, flags,
VMALLOC_START, VMALLOC_END,
NUMA_NO_NODE, GFP_KERNEL,읽는 법: 이 절편에서 먼저 볼 것은 return 값이 아니라 상태 변경이다. 어떤 lock을 잡은 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패하면 어느 label로 빠지는지, 그리고 바뀐 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 소비하는지 표시한다.
vmap
// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
/*
* Copyright (C) 1993 Linus Torvalds
* Support of BIGMEM added by Gerhard Wichert, Siemens AG, July 1999
* SMP-safe vmalloc/vfree/ioremap, Tigran Aivazian <tigran@veritas.com>, May 2000
* Major rework to support vmap/vunmap, Christoph Hellwig, SGI, August 2002
* Numa awareness, Christoph Lameter, SGI, June 2005
* Improving global KVA allocator, Uladzislau Rezki, Sony, May 2019
*/
#include <linux/vmalloc.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/highmem.h>
#include <linux/sched/signal.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/spinlock.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/set_memory.h>
#include <linux/debugobjects.h>
#include <linux/kallsyms.h>
#include <linux/list.h>
#include <linux/notifier.h>
#include <linux/rbtree.h>
#include <linux/xarray.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/rcupdate.h>
#include <linux/pfn.h>
#include <linux/kmemleak.h>
#include <linux/atomic.h>
#include <linux/compiler.h>
#include <linux/memcontrol.h>
#include <linux/llist.h>
#include <linux/uio.h>
#include <linux/bitops.h>
#include <linux/rbtree_augmented.h>
#include <linux/overflow.h>
#include <linux/pgtable.h>읽는 법: 이 절편에서 먼저 볼 것은 return 값이 아니라 상태 변경이다. 어떤 lock을 잡은 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패하면 어느 label로 빠지는지, 그리고 바뀐 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 소비하는지 표시한다.
함수별 독해
물리적으로 불연속인 page들을 연속된 kernel virtual address로 묶어 큰 가상 영역을 제공한다.
이 섹션은 원본 코드 발췌를 함수 이름 단위로 끊어, 각 함수가 어떤 전제 조건을 만들고 다음 함수가 무엇을 소비하는지 추적한다.
각 노드는 독립 함수가 아니라 전제 조건을 생산하고 소비하는 연결점이다. 코드를 읽을 때는 노드 사이에서 어떤 필드가 바뀌는지 표시한다.
1. __vmalloc_node_range
__vmalloc_node_range 주변에서는 vmap_area를 중심으로 본다. 이 필드는 virtual range allocator node 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 VA reserved 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.
원본 코드에서 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 다음 함수가 충돌 없는 virtual range 확보을 전제로 삼을 수 있다.
자주 틀리는 해석: vmalloc 주소를 phys_contiguous라고 착각함
2. vmap
vmap 주변에서는 vm_struct를 중심으로 본다. 이 필드는 caller-visible allocation record 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 pages allocated 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.
원본 코드에서 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 다음 함수가 physical pages 확보을 전제로 삼을 수 있다.
자주 틀리는 해석: vfree 직후 모든 CPU TLB에서 즉시 사라진다고 가정함
| 함수 | 입력 | 상태 변경 | 검증 질문 |
|---|---|---|---|
| __vmalloc_node_range | vmap_area, caller context, subsystem 전제 조건 | VA reserved: 충돌 없는 virtual range 확보 | vmalloc 주소를 phys_contiguous라고 착각함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가 |
| vmap | vm_struct, caller context, subsystem 전제 조건 | pages allocated: physical pages 확보 | vfree 직후 모든 CPU TLB에서 즉시 사라진다고 가정함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가 |
구조체 / 필드 해설
여기서는 “어떤 구조체가 있다”가 아니라 그 필드가 어느 단계에서 쓰기 가능하고 어느 단계부터 관찰 가능한지를 본다. 박사급 리뷰에서는 필드의 뜻보다 보호 규칙이 먼저다.
필드는 구조체 안에 흩어져 있지만, 실제 실행에서는 위 순서로 의미가 이어진다.
| 필드 | 읽는 법 | 확인 |
|---|---|---|
| vmap_area | virtual range allocator node | 누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인 |
| vm_struct | caller-visible allocation record | 누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인 |
| page array | 매핑할 physical pages | 누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인 |
| lazy purge list | TLB flush 지연 해제 | 누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인 |
상태 전이 그림
상태 전이를 따로 그리는 이유는 정상 path와 실패 path를 같은 표에서 보기 위해서다. 커널 regression은 흔히 마지막 상태가 아니라 중간 상태를 외부에 publish한 뒤 rollback하지 못해서 생긴다.
상태 전이는 단방향처럼 그렸지만, 실패 경로에서는 대부분 역순 rollback이 붙는다.
| 상태 | 의미 | 진입 조건 | 깨지는 지점 |
|---|---|---|---|
| VA reserved | 충돌 없는 virtual range 확보 | 앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤 | 다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때 |
| pages allocated | physical pages 확보 | 앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤 | 다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때 |
| PTE populated | page table entry 설치 | 앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤 | 다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때 |
| vfree lazy | unmap과 TLB flush가 지연될 수 있음 | 앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤 | 다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때 |
불변조건 / 실패 케이스
vmalloc 의 중심 객체가 publish된 뒤에는 마지막 참조가 사라지기 전까지 teardown path가 모든 callback, timer, IRQ, worker와 경합하지 않아야 한다.
상태 필드를 바꾼 뒤 다른 CPU나 하위 계층이 관찰할 수 있다면 lock, barrier, refcount, RCU 중 어느 장치가 visibility를 보장하는지 확인한다.
중간 단계 실패는 성공 단계의 역순으로 되돌아가야 한다. goto label이 많은 코드는 label 이름보다 어느 resource가 이미 획득됐는지를 표로 적는다.
embedded bring-up에서는 panic보다 silence, timeout, deferred probe, interrupt flood처럼 간접 증상으로 드러나는 경우가 많다.
vmalloc 주소를 phys_contiguous라고 착각함
vfree 직후 모든 CPU TLB에서 즉시 사라진다고 가정함
ioremap과 vmalloc의 cache attribute 차이를 무시함
계측 / 검증
계측은 printk 위치 경쟁이 아니라 가설 검증이다. 먼저 위 상태표에서 멈춘 state를 정하고, 그 state를 바꾸는 함수와 그 결과를 소비하는 함수를 동시에 본다.
| 도구 | 보는 것 | 해석 |
|---|---|---|
| cat /proc/vmallocinfo | vmalloc 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인 | 로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인 |
| trace_vmap | vmalloc 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인 | 로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인 |
| ptdump_debugfs | vmalloc 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인 | 로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인 |
| perf stat dTLB-load-misses | vmalloc 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인 | 로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인 |
# 예시: tracefs가 켜진 보드에서 토픽별 event를 좁혀 본다.
mount -t tracefs nodev /sys/kernel/tracing
echo function_graph > /sys/kernel/tracing/current_tracer
echo ':mod:*' > /sys/kernel/tracing/set_ftrace_filter
cat /sys/kernel/tracing/trace_pipe연구 질문
- vmalloc 의 state machine을 네 단계로 줄였을 때, 실제 코드에서 빠지는 intermediate state는 무엇인가?
- vmalloc 의 fast path가 생략한 검사는 어느 init path 또는 slow path에서 보증되는가?
- 실험으로 확인한다면 'vmalloc 주소를 phys_contiguous라고 착각함' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?
- 실험으로 확인한다면 'vfree 직후 모든 CPU TLB에서 즉시 사라진다고 가정함' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?