get_user_pages和get_user_pages

最近工作中经常遇见get_user_pages和get_user_pages_fast，虽然知道他们都是用来pin住一个页的，但是依然没搞明白后者是如何实现fast的，两者的区别具体在哪。刚好利用周末时间研究一下。本文的分析基于linux 4.19.195.
先看看get_user_pages_fast函数的定义

/*** get_user_pages_fast() - pin user pages in memory* @start:  starting user address* @nr_pages:  number of pages from start to pin* @write: whether pages will be written to* @pages:  array that receives pointers to the pages pinned.*      Should be at least nr_pages long.** Attempt to pin user pages in memory without taking mm->mmap_sem.   尝试不获取锁就pin memory* If not successful, it will fall back to taking the lock and* calling get_user_pages().** Returns number of pages pinned. This may be fewer than the number* requested. If nr_pages is 0 or negative, returns 0. If no pages* were pinned, returns -errno.*/
int get_user_pages_fast(unsigned long start, int nr_pages, int write,struct page **pages)

get_user_pages的定义

/** This is the same as get_user_pages_remote(), just with a* less-flexible calling convention where we assume that the task* and mm being operated on are the current task's and don't allow* passing of a locked parameter.  We also obviously don't pass* FOLL_REMOTE in here.*/
long get_user_pages(unsigned long start, unsigned long nr_pages,unsigned int gup_flags, struct page **pages,struct vm_area_struct **vmas)
{return __get_user_pages_locked(current, current->mm, start, nr_pages,pages, vmas, NULL,gup_flags | FOLL_TOUCH);
}
EXPORT_SYMBOL(get_user_pages);static __always_inline long __get_user_pages_locked(struct task_struct *tsk,struct mm_struct *mm,unsigned long start,unsigned long nr_pages,struct page **pages,struct vm_area_struct **vmas,int *locked,unsigned int flags)

可以看到，get_user_pages_fast函数的传参更少，get_user_pages函数只是__get_user_pages_locked函数的一个封装，而且参数也多了一些。先分析get_user_pages_fast函数。

int get_user_pages_fast(unsigned long start, int nr_pages, int write,struct page **pages)
{***/** The FAST_GUP case requires FOLL_WRITE even for pure reads,* because get_user_pages() may need to cause an early COW in* order to avoid confusing the normal COW routines. So only* targets that are already writable are safe to do by just* looking at the page tables.*/if (gup_fast_permitted(start, nr_pages, write)) {local_irq_disable();gup_pgd_range(addr, end, 1, pages, &nr);local_irq_enable();ret = nr;}if (nr < nr_pages) { //如果gup_pgd_rang没有获取到足够多的page数量，重来；原因可关注gup_pte_range函数，里面有对pte_value的并发判断/* Try to get the remaining pages with get_user_pages */start += nr << PAGE_SHIFT;pages += nr;ret = get_user_pages_unlocked(start, nr_pages - nr, pages,write ? FOLL_WRITE : 0); //最终调用__get_user_pages_locked完成/* Have to be a bit careful with return values */if (nr > 0) {if (ret < 0)ret = nr;elseret += nr;}}return ret;
}

可以看到，get_user_pages_fast函数先调用了gup_pgd_range，这个函数就是gup的快速路径，如果这个函数失败了，会走慢速路径，也就是get_user_pages_unlocked，并最终调用到了__get_user_pages_locked。那么，快速路径是在什么情况下能够快的呢？
走进gup_pgd_range函数的实现里，我们能够看到，gup_pgd_range就是在关中断的情况下（这样在多核的情况下无法做到并发安全），遍历一下页表，这个函数展开太长了就不贴了。拿简单的pin一个4k页举例，如果每一级页表都做了映射，且相关页都被分配了的话，最终会走入到函数gup_pte_range中，增加了相关的page引用计数后，便将页记录在pages数组里，计数加一，便可退出了。
可见，fast路径是简历在页表以及实际物理页都被分配了的基础上，方可成功执行。
但凡其中一个页的页表或者物理页没有分配好，就会走到慢速路径。
我们可以看到，慢速路径就和get_user_pages基本一样了（几个传参的区别请忽略，因为并不影响函数实现的本质），除了get_user_pages需要调用者自己在函数外拿一下mm->mmap_sem的读锁。
我们看看__get_user_pages_locked的原理，一个无限循环调用__get_user_pages函数，直到所有要求的页都被pin住或者错误发生。那__get_user_pages函数和上述快速路径有什么区别呢？
本质上，两者都是通过查询页表找到的page结构体，但是若是页表或者物理页尚未创建成功，那么，__get_user_pages会通过faultin_page模拟一个缺页中断，完成相关物理页及页表建立，这个流程是快速路径没有做的。
可能还有些细节上的差异，因为没有实际问题的触发，就没有深入研究下去了。
总结一下，大体上，get_user_pages和get_user_pages_fast，都是通过查询页表实现pin page的效果；两者的区别是，get_user_pages_fast只能pin住页表和物理页都建立好的page，而get_user_pages在相关页表或物理页尚未建立的情况下，能够主动的去创建，然后再执行pin的动作。
指的一提的是，get_user_pages_fast的快速路径是通过try_get_compound_head函数增加相关page结构体的引用计数的，而get_user_pages是通过FOLL_TOUCH这个标志位来给相关page结构体做引用计数的加一操作。也就是说，通过适当的传参，gup函数并不一定能pin住页，pin住页只是他的其中一项功能罢了。

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