pin_user_pages()及相关调用
概述
本文档描述以下函数：
- pin_user_pages()
- pin_user_pages_fast()
- pin_user_pages_remote()
FOLL_PIN的基本描述
FOLL_PIN和FOLL_LONGTERM是可以传递给get_user_pages*()（"gup"）函数族的标志。FOLL_PIN与FOLL_LONGTERM有重要的交互和相互依赖关系，因此这两者都在此处进行讨论。
FOLL_PIN是gup内部使用的标志，这意味着它不应该出现在gup调用点。这允许相关的包装函数（如pin_user_pages*()等）设置正确的这些标志的组合，并检查问题。
另一方面，FOLL_LONGTERM允许在gup调用点设置。这是为了避免创建大量的包装函数来覆盖所有get()、pin()、FOLL_LONGTERM等组合。此外，pin_user_pages() API明显不同于get_user_pages() API，因此这是一个自然的分界线，也是一个很好的分隔点。换句话说，对于DMA固定页面，请使用pin_user_pages()，对于其他情况，请使用get_user_pages()。后面将进一步描述五种情况，以进一步澄清这个概念。
对于给定的gup调用，FOLL_PIN和FOLL_GET是互斥的。然而，多个线程和调用点可以通过FOLL_PIN和FOLL_GET来固定相同的结构页面。只是调用点需要选择其中一个，而不是结构页面。
FOLL_PIN的实现几乎与FOLL_GET相同，只是FOLL_PIN使用了不同的引用计数技术。
FOLL_PIN是FOLL_LONGTERM的先决条件。换句话说，FOLL_LONGTERM是FOLL_PIN的一个更具体、更严格的情况。
每个包装函数设置的标志
对于这些pin_user_pages()函数，FOLL_PIN总是与调用者提供的gup标志进行OR运算。调用者需要传递一个非空的struct pages数组，然后函数通过将每个页面的引用计数增加一个特殊值（GUP_PIN_COUNTING_BIAS）来固定页面。
对于大的foliage，不使用GUP_PIN_COUNTING_BIAS方案。相反，使用struct folio中可用的额外空间直接存储固定计数。
这种大foliage的方法避免了下面讨论的计数上限问题。这些限制将因为巨大页面而严重恶化，因为每个尾页都会向头页添加一个引用计数。实际测试表明，在某些巨大页面压力测试中，如果没有单独的固定计数字段，会出现引用计数溢出问题。
这也意味着巨大页面和大foliage不会受到下面提到的假阳性问题的影响。
函数
- pin_user_pages：此函数内部始终设置FOLL_PIN。
- pin_user_pages_fast：此函数内部始终设置FOLL_PIN。
- pin_user_pages_remote：此函数内部始终设置FOLL_PIN。
对于这些get_user_pages()函数，FOLL_GET甚至可能不会被指定。行为比上面稍微复杂一些。如果没有指定FOLL_GET，但调用者传递了一个非空的struct pages数组，则函数会为您设置FOLL_GET，并通过将每个页面的引用计数增加1来固定页面。
函数
- get_user_pages：此函数有时会在内部设置FOLL_GET。
- get_user_pages_fast：此函数有时会在内部设置FOLL_GET。
- get_user_pages_remote：此函数有时会在内部设置FOLL_GET。
跟踪DMA固定页面
跟踪DMA固定页面的一些关键设计约束和解决方案：
- 需要每个struct page的实际引用计数，因为多个进程可能固定和取消固定页面。
- 假阳性（报告页面被DMA固定，而实际上并没有）是可以接受的，但假阴性是不可以接受的。
- struct page可能不会增加尺寸，而且所有字段已经被使用。
- 鉴于上述情况，我们可以通过使用page->_refcount字段的上位比特来重载该字段，以实现一种中等大值（GUP_PIN_COUNTING_BIAS，最初选择为1024：10位）的DMA固定计数。这提供了模糊行为：如果一个页面被调用了1024次get_page()，那么它将看起来有一个单独的DMA固定计数。这也导致了一些限制：只有31-10==21位可用于每次增加10位的计数器。
- 由于这种限制，在使用FOLL_PIN时，对零页面应用特殊处理。我们只是假装固定一个零页面 - 我们根本不改变它的引用计数或固定计数（它是永久的，所以没有必要）。取消固定函数也不会对零页面执行任何操作。这对调用者是透明的。
- 调用者必须明确请求“跟踪页面的DMA固定”。换句话说，仅仅调用get_user_pages()是不够的；必须使用一组新的函数，如pin_user_page()等。
FOLL_PIN、FOLL_GET、FOLL_LONGTERM：何时使用哪些标志
感谢Jan Kara、Vlastimil Babka和其他一些-mm人员，对这些类别进行了描述：
CASE 1：直接IO（DIO）
存在对用作DIO缓冲区的页面的GUP引用。这些缓冲区只需要相对较短的时间（因此它们不是“长期”）。不提供与page_mkclean()或munmap()的特殊同步。因此，在调用点设置的标志是：
- FOLL_PIN
...但是，调用点应该使用设置FOLL_PIN的pin_user_pages*()例程，而不是直接设置FOLL_PIN。
CASE 2：RDMA
存在对用作DMA缓冲区的页面的GUP引用。这些缓冲区需要长时间（“长期”）。不提供与page_mkclean()或munmap()的特殊同步。因此，在调用点设置的标志是：
- FOLL_PIN | FOLL_LONGTERM
注意：某些页面，如DAX页面，不能使用长期固定。这是因为DAX页面没有单独的页面缓存，因此“固定”意味着锁定文件系统块，目前还不支持这种方式。
CASE 3：MMU通知器注册，带或不带页面错误硬件
设备驱动程序可以通过get_user_pages*()固定页面，并为内存范围注册mmu通知器回调。然后，在接收到通知器“使范围无效”回调时，停止设备使用该范围，并取消固定页面。可能还有其他可能的方案，例如显式地与待处理IO同步，以实现大致相同的功能。
或者，如果硬件支持可重放的页面错误，那么设备驱动程序可以完全避免固定（这是理想的），方法是：注册mmu通知器回调，如上所述，但在回调中，而不是在回调中停止设备并取消固定，只需从设备的页表中删除该范围。
无论哪种方式，只要驱动程序在mmu通知器回调时取消固定页面，就可以与文件系统和mm（page_mkclean()、munmap()等）进行适当的同步，因此不需要设置任何标志。
CASE 4：仅用于struct page操作的固定
如果只影响struct page数据（而不是页面实际跟踪的内存内容），则普通的GUP调用就足够了，不需要设置任何标志。
CASE 5：固定以便写入页面内的数据
即使不涉及DMA或直接IO，只是简单的“固定、写入页面数据、取消固定”也可能会导致问题。Case 5可以被认为是Case 1的超集，再加上Case 2，再加上任何调用这种模式的模式。换句话说，如果代码既不是Case 1也不是Case 2，可能仍然需要FOLL_PIN，用于这种模式：
正确的（使用FOLL_PIN调用）：
- pin_user_pages() 写入页面内的数据 unpin_user_pages()
不正确的（使用FOLL_GET调用）：
- get_user_pages() 写入页面内的数据 put_page()
page_maybe_dma_pinned(): 固定页面的整个目的
将页面标记为“DMA-pinned”或“gup-pinned”的整个目的是为了能够查询“这个页面是否被DMA固定？”这允许诸如page_mkclean()（以及文件系统回写代码）这样的代码在由于这些固定而无法取消映射时做出知情决策。
在这些情况下该做什么是多年来一系列讨论和辩论的主题（请参见本文档末尾的参考资料）。这是这里的一个待办事项：一旦解决了这个问题，填写详细信息。与此同时，可以肯定地说，拥有这个：
static inline bool page_maybe_dma_pinned(struct page *page)
…是解决长期存在的gup+DMA问题的先决条件。
另一种思考FOLL_GET、FOLL_PIN和FOLL_LONGTERM的方式
对这些标志的另一种思考方式是作为限制的逐步加强：FOLL_GET用于struct page操作，而不影响struct page所引用的数据。FOLL_PIN是对FOLL_GET的替代，用于对将要访问其数据的页面进行短期固定。因此，FOLL_PIN是一种“更严格”的固定形式。最后，FOLL_LONGTERM是一个更为严格的情况，其具有FOLL_PIN作为先决条件：这是用于长期固定并将访问其数据的页面。
单元测试
这个文件：
tools/testing/selftests/mm/gup_test.c
具有以下新调用来测试新的pin*()包装函数：
PIN_FAST_BENCHMARK (./gup_test -a)
PIN_BASIC_TEST (./gup_test -b)
您可以通过两个新的/proc/vmstat条目来监视自系统启动以来已获取和释放的总DMA固定页面数量：
/proc/vmstat/nr_foll_pin_acquired
/proc/vmstat/nr_foll_pin_released
在正常情况下，这两个值将相等，除非存在任何长期的[R]DMA固定，或在固定/取消固定转换期间。
-
nr_foll_pin_acquired: 这是自系统上电以来已获取的逻辑固定数量。对于大页，对于大页内的每个页面（头页面和每个尾页面），头页面将被固定一次。这遵循了get_user_pages()对大页使用的相同行为：当get_user_pages()应用于大页时，头页面的引用计数将对每个大页的尾部或头部页面增加一次。 -
nr_foll_pin_released: 这是自系统上电以来已释放的逻辑固定数量。请注意，即使原始固定是应用于大页，页面也将以PAGE_SIZE粒度被释放（unpinned）。由于上述“nr_foll_pin_acquired”中描述的固定计数行为，会进行平衡计数，因此在执行以下操作后：
pin_user_pages(huge_page);
for (each page in huge_page)
unpin_user_page(page);
预期如下：
nr_foll_pin_released == nr_foll_pin_acquired
（…除非由于存在长期RDMA固定而已经失衡。）
其他诊断
dump_page()已稍作增强，以处理这些新的计数字段，并更好地报告大folio。具体来说，对于大folio，将报告确切的固定计数。
参考资料
- 一些关于get_user_pages()的缓慢进展（2019年4月2日）
- DMA和get_user_pages()（LPC：2018年12月12日）
- get_user_pages()的问题（2018年4月30日）
- LWN内核索引：get_user_pages()
约翰·哈伯德，2019年10月