如何在 Linux 中解决共享内存缓存问题

Linux

2024-03-11 17:46:09

在 Linux 内核空间和用户空间之间创建共享内存的缓存问题与解决方法

在开发内核模块时，您可能会遇到共享内存缓存问题，这会影响在内核空间和用户空间之间读取数据的准确性。本文旨在阐述此问题及其解决方案，以帮助您建立稳健且高效的共享内存机制。

问题概述

共享内存允许内核空间和用户空间进程访问同一块物理内存。然而，当涉及到缓存时，事情可能会变得棘手。当内核将数据写入共享内存时，缓存机制可能会延迟对用户空间的更新。这可能会导致用户空间读取过时的或不准确的数据。

解决方法

要解决此问题，您可以采取以下步骤：

确保物理地址映射正确 ：验证 dma_map_single() 函数获取的 DMA 地址是否正确映射到预期的物理地址。
标记内存为非缓存 ：在内核模块中，使用 pgprot_noncached() 函数将共享内存标记为非缓存。此外，您可以尝试使用 set_memory_x() API 将共享内存标记为不可执行。
禁用 SMMU ：如果系统启用了 SMMU（系统内存管理单元），它可能会干扰缓存操作。尝试禁用 SMMU，但请注意，这可能会对系统的其他部分产生影响。
显式刷新缓存 ：在用户空间代码中，使用 flush_cache() 函数显式刷新共享内存区域的缓存。这将强制 CPU 从内存中读取最新数据，而不是依赖于缓存。
使用 DMA API ：尝试使用 DMA API（如 dma_alloc_coherent()）来分配和管理共享内存。这些 API 旨在处理缓存一致性问题。
使用物理地址 ：在用户空间代码中，尝试使用共享内存的物理地址（从 dma_map_single() 获取）。这可以绕过虚拟地址映射，并确保直接访问物理内存。
使用设备树覆盖 ：在设备树覆盖中添加 cache-coherency=none 覆盖。这将指示内核不要使用缓存一致性机制。

代码示例

以下是修改后的内核模块代码示例，它结合了上述建议：

int my_module_init(void)
{
    // 分配共享内存
    my_shared_buffer = kzalloc(BUFFER_SIZE, GFP_DMA | GFP_ATOMIC);
    if (my_shared_buffer == NULL) {
        // 分配失败
        return -ENOMEM;
    }

    // 获取 DMA 地址
    my_dma_buffer = dma_map_single(my_device, my_shared_buffer, BUFFER_SIZE, DMA_BIDIRECTIONAL);
    if (my_dma_buffer == DMA_MAPPING_ERROR) {
        // DMA 映射失败
        kfree(my_shared_buffer);
        return -ENOMEM;
    }

    // 标记内存为非缓存
    my_page_prot = pgprot_noncached(my_page_prot);
    my_page_prot = set_memory_x(my_page_prot, 1);

    // 创建用户空间映射
    my_user_mapping = remap_pfn_range(user_addr, my_dma_buffer >> PAGE_SHIFT, BUFFER_SIZE >> PAGE_SHIFT, my_page_prot);
    if (my_user_mapping == NULL) {
        // 映射失败
        dma_unmap_single(my_device, my_dma_buffer, BUFFER_SIZE, DMA_BIDIRECTIONAL);
        kfree(my_shared_buffer);
        return -ENOMEM;
    }

    // ...
}