전체 흐름
메모리 코드는 address translation, physical page ownership, reclaim policy, allocation latency가 한꺼번에 얽힌다. 이 층에서는 '어느 page가 지금 누구 소유인가'와 '그 소유권을 어떤 lock/refcount가 증명하는가'를 끝까지 추적해야 한다.
함수 이름보다 입력 객체와 출력 객체를 먼저 본다. 이 토픽에서 어떤 구조체가 생성, 연결, publish, retire되는지 표시한다.
정상 경로와 실패 경로를 함께 확인한다. 성공 경로뿐 아니라 오류 복구, hotplug, 해제 과정에서 상태가 올바르게 정리되는지 점검한다.
왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 실제 상태 변경이 커진다. 각 코드 조각이 어느 단계에 해당하는지 대조한다.
소스 코드 위치
먼저 확인할 Linux 6.18.37 LTS 소스 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,확인 사항: 이 코드에서는 반환값보다 상태 변경을 먼저 확인한다. 어느 잠금을 획득한 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패 시 어느 레이블로 분기하는지, 변경된 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 사용하는지 추적한다.
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>확인 사항: 이 코드에서는 반환값보다 상태 변경을 먼저 확인한다. 어느 잠금을 획득한 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패 시 어느 레이블로 분기하는지, 변경된 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 사용하는지 추적한다.
함수별 분석
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 |
구조체와 필드
여기서는 “어떤 구조체가 있다”가 아니라 그 필드가 어느 단계에서 쓰기 가능하고 어느 단계부터 관찰 가능한지를 본다. 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 |
실행 단계와 상태 변화
실행 단계를 따로 정리하면 정상 경로와 실패 경로를 나란히 비교할 수 있다. 커널 문제는 최종 결과보다 준비가 덜 된 중간 상태를 다른 코드에 공개한 뒤, 실패 시 제대로 정리하지 못할 때 자주 발생한다.
화살표는 정상 진행 방향을 나타낸다. 중간 단계에서 실패하면 각 단계의 오류 처리 또는 대체 경로로 이동한다.
| 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 |
불변 조건과 실패 사례
vmalloc의 핵심 객체가 외부에 공개된 뒤에는 마지막 참조가 사라질 때까지 해제 경로가 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
계측과 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 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인 | 로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인 |
| trace_vmap | vmalloc 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인 | 로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인 |
| ptdump_debugfs | vmalloc 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인 | 로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인 |
| perf stat dTLB-load-misses | vmalloc 실행이 어느 단계에서 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_pipe추가 확인 사항
- 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?