pgprot_noncached()与set_memory_uc()的区别及页级缓存选择性禁用方法

set_memory_uc()的实际作用 #

你测试中看到移除set_memory_uc()后内存仍为不可缓存，是因为pgprot_noncached()会修改VMA的保护属性，内核在建立该VMA的页映射时，会自动生成带有UNCACHABLE（UC）属性的页表项。但set_memory_uc()并非毫无用处：

• 它直接作用于物理页的全局缓存属性，如果分配的物理页之前被其他映射使用过（比如默认的Write-Back模式），set_memory_uc()会强制刷新该页的缓存，清理脏数据，避免后续访问出现数据不一致。
• 在部分旧内核版本或特殊架构场景下，VMA的pgprot设置可能不会覆盖已存在的页表项，此时set_memory_uc()需要用来强制修正物理页的缓存属性。

为何多数资料要求同时调用两个函数 #

核心原因是兼容性与数据一致性：

• 不同内核版本对pgprot_noncached()的实现有差异，早期内核可能不会自动同步物理页的缓存属性，必须通过set_memory_uc()来补全修改。
• 物理页可能存在复用情况，若之前的映射使用了WB缓存模式，仅通过VMA设置UC属性可能不会触发缓存刷新，残留的脏数据会导致读写错误，set_memory_uc()会强制完成缓存刷新与属性同步。
• 部分架构（如x86）中，页表项的缓存属性需要同时匹配VMA设置和物理页的全局属性，两者配合才能确保所有访问路径都遵循UC规则。

实现VMA内页级选择性禁用缓存的方法 #

要在同一段VMA中针对单个页面切换缓存属性，不能依赖VMA的全局pgprot设置，需要手动操作页表与物理页属性：

1. 分配内存与创建VMA：
   • 使用alloc_pages()或__get_free_pages()分配连续物理页，创建VMA时使用默认的Write-Back保护属性（如PAGE_KERNEL），确保初始状态为可缓存。
2. 切换单个页面为UC：
   • 获取目标页面的虚拟地址，调用lookup_address()找到对应的页表项（PTE）指针。
   • 调用pte_mkuc()修改PTE的缓存属性为UC，再用set_pte_at()更新页表。
   • 调用flush_tlb_page()刷新TLB，确保CPU立即使用新的页表属性。
   • 调用set_pages_uc()针对该物理页设置全局UC属性，同时触发缓存刷新（避免脏数据残留）。
3. 恢复为WB模式：
   • 类似地，使用pte_mkwb()修改PTE属性，调用flush_tlb_page()，再用set_pages_wb()恢复物理页的缓存属性。

示例代码片段（x86架构，内核5.15）：

// 假设addr是目标页面的虚拟地址
struct page *page = virt_to_page(addr);
pte_t *pte = lookup_address((unsigned long)addr, &level);

if (pte && !pte_none(*pte)) {
    // 切换为UC
    set_pte_at(&init_mm, (unsigned long)addr, pte, pte_mkuc(*pte));
    flush_tlb_page(&init_mm, (unsigned long)addr);
    set_pages_uc(page, 1);
}

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Joao Oliveira