第4章 vmalloc与ioremap

4. vmalloc与ioremap：虚拟空间的两把利刃

内存管理这块，我做了十几年，最常被问到的问题就是：「vmalloc和ioremap到底有啥区别？」

说白了，这两个函数都是用来建立虚拟地址到物理地址的映射。但它们的应用场景完全不同。一个管内存，一个管外设。今天咱们就把它们彻底讲透。

4.1 vmalloc区域布局

先说说vmalloc。它分配的是虚拟地址连续、物理地址不连续的内存。

你想想看，kmalloc分配的是物理连续的内存，这在嵌入式系统里是个奢侈品。系统跑久了，内存碎片化严重，想要一大块连续物理内存？门儿都没有。这时候vmalloc就派上用场了。

在x86架构上，vmalloc区域位于VMALLOC_START到VMALLOC_END之间。我习惯用这个命令查看：

# cat /proc/meminfo | grep Vmalloc
VmallocTotal:   34359738367 kB
VmallocUsed:     123456 kB
VmallocChunk:   34359738367 kB

这个区域有多大？一般来说：

32位系统：通常128MB~256MB
64位系统：非常大，几乎用不完

布局上，vmalloc区域紧挨着模块区域（module region）。嗯，这里要注意，不同架构的布局略有差异，但核心思想一致——把不连续的物理页框映射到连续的虚拟地址空间。

4.2 vmalloc实现原理

vmalloc的实现，我拆成三步来讲：

找虚拟地址：在vmalloc区域中找一块足够大的连续虚拟地址
分配物理页：调用alloc_page()分配不连续的物理页
建立页表：修改内核页表，建立虚拟地址到物理地址的映射

核心代码在mm/vmalloc.c里。我挑重点说：

void *vmalloc(unsigned long size)
{
    struct vm_struct *area;
    struct page **pages;
    unsigned int nr_pages;
    
    // 1. 计算需要的页数
    nr_pages = PAGE_ALIGN(size) >> PAGE_SHIFT;
    
    // 2. 分配物理页（不连续）
    pages = kmalloc_array(nr_pages, sizeof(struct page *), GFP_KERNEL);
    for (i = 0; i < nr_pages; i++) {
        pages[i] = alloc_page(GFP_KERNEL | __GFP_HIGHMEM);
    }
    
    // 3. 分配虚拟地址区域
    area = __get_vm_area_node(size, VM_ALLOC, VMALLOC_START, VMALLOC_END);
    
    // 4. 建立页表映射
    map_vm_area(area, prot, pages);
    
    return area->addr;
}

我在项目中遇到过一个问题：vmalloc分配的内存，不能用于DMA。为什么？因为DMA需要物理连续的内存，而vmalloc分配的是物理不连续的。这个坑我踩过，后来老老实实改用dma_alloc_coherent了。

⚠️ 注意： vmalloc分配的内存，在中断上下文中不能使用。因为vmalloc可能会睡眠（分配物理页时可能触发页面回收）。我见过有人在内核中断里调vmalloc，结果系统直接死锁。

4.3 ioremap映射物理地址

ioremap和vmalloc最大的区别在于：ioremap映射的是外设的物理地址，不是内存。

你想想看，CPU要访问GPIO寄存器、UART FIFO、DMA控制器……这些外设都挂在总线上，有各自的物理地址。但CPU只能通过虚拟地址访问。怎么办？用ioremap！

void __iomem *regs;

// 映射GPIO控制器的物理地址
regs = ioremap(0x01C20800, 0x1000);

// 现在可以通过虚拟地址访问外设寄存器
writel(0x1, regs + 0x00);  // 设置GPIO方向
val = readl(regs + 0x10);  // 读取GPIO电平

// 使用完后解除映射
iounmap(regs);

ioremap的核心流程：

在vmalloc区域找一块虚拟地址
建立页表，将外设物理地址映射到该虚拟地址
设置页表属性为不可缓存（外设寄存器不能缓存！）

这里有个关键点：ioremap映射的物理地址，不能是RAM。我曾经见过有人试图用ioremap映射DDR内存，结果系统崩溃。因为ioremap默认关闭了缓存和写缓冲，而RAM需要缓存才能正常工作。

💡 经验之谈： 我习惯在驱动probe函数里做ioremap，在remove函数里做iounmap。这样生命周期清晰，不容易内存泄漏。另外，ioremap返回的地址要用void __iomem *类型，别用unsigned long，否则代码审查时会被骂的。

4.4 vmalloc与ioremap的对比

特性	vmalloc	ioremap
映射对象	物理内存（RAM）	外设寄存器/MMIO
物理连续性	不连续	连续（外设地址空间）
缓存属性	可缓存	不可缓存
典型用途	大块内存分配	外设寄存器访问
释放函数	vfree()	iounmap()

说白了，vmalloc是「内存不够连续时的备胎」，ioremap是「访问外设的桥梁」。两者底层都用了类似的页表操作，但语义完全不同。

4.5 核心逻辑图

我画了一张图，帮你理清vmalloc和ioremap的完整流程：

这张图把两个流程并列展示，你可以看到：前两步几乎一样，区别在第三步——vmalloc分配物理页，ioremap设置缓存属性。第四步都是建立页表，但映射的目标不同。

  🔑 核心要点：
  vmalloc：虚拟连续，物理不连续，用于大块内存分配
ioremap：虚拟连续，物理连续（外设地址），用于访问硬件寄存器
两者都可能导致睡眠，不能在中断上下文使用
ioremap映射的地址要用readl/writel访问，不能直接解引用

最后说一句：我见过不少新手把vmalloc和ioremap混用。记住，vmalloc出来的内存可以读写，ioremap出来的地址只能通过readl/writel访问。这个区别，决定了你的驱动是稳定运行还是随机崩溃。

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📚 课程目录

4. vmalloc与ioremap：虚拟空间的两把利刃

4.1 vmalloc区域布局

4.2 vmalloc实现原理

4.3 ioremap映射物理地址

4.4 vmalloc与ioremap的对比

4.5 核心逻辑图