TLB一致性维护

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发布于 2024-06-03 08:50:49

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发布于 2024-06-03 08:50:49

TLB 是页表项的物理 cache，用于加速虚拟地址到物理地址的转换。CPU 在访问一个虚拟地址时，首先会在 TLB 中查找，如果找不到对应的表项，那么就称之为 TLB miss，此时就需要去内存里查询页表，如果页表项是合法的，那么就会把它添加到 TLB 中。如果内核修改了页表，那么就需要主动的去清空一下当前的 TLB。

在 ARM64 上，清空 TLB 的指令是 TLBI，在 Linux 中，与 TLB 清空相关的宏都在 arch/arm64/include/asm/tlbflush.h 文件中定义。清空 TLB 的一般流程在文件开头的注视里有说明：

 *    DSB ISHST    // Ensure prior page-table updates have completed
 *    TLBI ...    // Invalidate the TLB
 *    DSB ISH        // Ensure the TLB invalidation has completed
 *      if (invalidated kernel mappings)
 *        ISB    // Discard any instructions fetched from the old mapping

在 TLBI 指令执行前后需要几个内存屏障指令的辅助，来防止在 TLB 清空过程中发生的不确定情况。主要的几个宏如下所示：

名称	说明
flush_tlb_all()	内核+用户空间的地址在所有的CPU上都清空
flush_tlb_mm(mm)	把用户空间的地址在所有的CPU上都清空
flush_tlb_range(vma, start, end)	用户空间的一段范围地址清空
flush_tlb_kernel_range(start, end)	内核空间的一段范围地址清空
flush_tlb_page(vma, adds)	用户空间的一个 page 地址映射清空

flush_tlb_kernel_range使用

以flush_tlb_kernel_range 为例： flush_tlb_kernel_range 是 Linux 内核中的一个函数，用于使一段范围内的翻译后备缓冲区 (TLB) 条目失效。TLB 是一个缓存，用于存储最近的从虚拟内存地址到物理内存地址的转换，这有助于加快使用虚拟内存系统的内存访问速度。

主要作用：

使 TLB 条目失效：flush_tlb_kernel_range 的主要作用是确保指定范围内的 TLB 中任何过时或无效的条目都被移除。当内核修改页表（例如在内存管理操作中）时，需要将这些变化反映到 TLB 中。

使用场景：

内核内存管理：该函数特别用于内核内存管理的上下文中。当内核在自己的地址空间（内核虚拟内存）中更改映射时，必须确保 TLB 不包含指向旧映射的陈旧条目。

使用方法：

参数：该函数通常接受两个参数，指定要刷新的地址范围的开始和结束。
- start：要刷新的范围的起始虚拟地址。
- end：要刷新的范围的结束虚拟地址。

操作方式：

与架构相关：flush_tlb_kernel_range 的实现与具体的 CPU 架构相关，因为不同的 CPU 架构（例如 x86，ARM）的 TLB 结构和操作方式不同。
使 TLB 条目失效：该函数使用特定的 CPU 指令使对应地址范围的 TLB 条目失效。

示例使用场景：

当内核更新其页表时，例如重新映射内核内存、添加新页面或更改访问权限时，需要使受影响的 TLB 条目失效，以确保 CPU 不会使用过时的转换。如果不这样做，可能会导致内存访问错误，带来潜在的安全风险或系统不稳定性。

代码示例：

一个函数原型的示例可能如下所示（实际实现细节因架构而异）：

void flush_tlb_kernel_range(unsigned long start, unsigned long end);

总结：

总之，flush_tlb_kernel_range 是维护 TLB 一致性的重要函数，用于内核内存管理的上下文中。它确保内核页表中的变化准确反映到 TLB 中，从而防止陈旧条目导致错误的内存访问。

flush_tlb_kernel_range 实现

flush_tlb_kernel_range 的实现是与具体的 CPU 架构密切相关的。不同的架构有不同的 TLB 管理方式，因此该函数的实现方式也会有所不同。下面我们以 x86 架构为例，简单介绍一下 flush_tlb_kernel_range 的可能实现方式。

x86 架构实现示例

在 x86 架构上，TLB 刷新可以通过重新加载控制寄存器 CR3 来实现，这会导致整个 TLB 被刷新。对于特定范围的 TLB 刷新，可以使用页表条目无效（INVLPG）指令。

示例代码：

以下是一个可能的 flush_tlb_kernel_range 实现，针对 x86 架构：

#include <linux/mm.h>
#include <linux/smp.h>
#include <asm/tlbflush.h>

void flush_tlb_kernel_range(unsigned long start, unsigned long end)
{
    unsigned long addr;

    // 对于每个地址，使用INVLPG指令
    for (addr = start; addr < end; addr += PAGE_SIZE) {
        __flush_tlb_one(addr);
    }

    // 同时在多处理器系统上处理
    smp_mb();
    smp_call_function(flush_tlb_mm_range, &current->mm, 1);
}

解释：

循环刷新每个页：
- 使用 INVLPG 指令刷新指定范围内的每个页。
- __flush_tlb_one(addr) 是一个内联汇编函数，使用 INVLPG 指令刷新指定的地址。
处理多处理器系统：
- smp_mb() 确保内存屏障，确保前面的 TLB 刷新操作在后续操作之前完成。
- smp_call_function(flush_tlb_mm_range, &current->mm, 1) 在多处理器系统上调用，以确保所有 CPU 都执行 TLB 刷新操作。