diff --git a/study/kernel/02-memory/01-description/01-memory/README.md b/study/kernel/02-memory/01-description/01-memory/README.md index d066bee..afeb302 100644 --- a/study/kernel/02-memory/01-description/01-memory/README.md +++ b/study/kernel/02-memory/01-description/01-memory/README.md @@ -1,177 +1,180 @@ -服务器体系与共享存储器架构 -======= - -| 日期 | 内核版本 | 架构| 作者 | GitHub| CSDN | -| ------- |:-------:|:-------:|:-------:|:-------:|:-------:| -| 2016-06-14 | [Linux-4.7](http://lxr.free-electrons.com/source/?v=4.7) | X86 & arm | [gatieme](http://blog.csdn.net/gatieme) | [LinuxDeviceDrivers](https://github.com/gatieme/LDD-LinuxDeviceDrivers) | [Linux内存管理](http://blog.csdn.net/gatieme/article/category/6225543) | - - - - - -##参照 -------- - -| 链接 | -|:-------:| -| [内存管理（一）内存模型之Node](http://biancheng.dnbcw.info/linux/387391.html) | -| [Linux 内存管理 重要结构体](http://blog.chinaunix.net/uid-26009500-id-3078986.html) | -| [Bootmem机制](http://blog.csdn.net/samssm/article/details/25064897) | -| [Linux-2.6.32 NUMA架构之内存和调度](http://www.cnblogs.com/zhenjing/archive/2012/03/21/linux_numa.html) | -| [Linux 用户空间与内核空间——高端内存详解](http://blog.csdn.net/tommy_wxie/article/details/17122923) | -| [探索 Linux 内存模型](http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-memmod/) | -| [Linux内存管理](http://blog.chinaunix.net/uid/21718047/cid-151509-list-2.html) | -| [内存管理-之内核内存管理-基于linux3.10](http://blog.csdn.net/shichaog/article/details/45509917) | -| [内存管理(一)](http://www.cnblogs.com/openix/p/3334026.html) | -| [Linux内存管理原理](http://www.cnblogs.com/zhaoyl/p/3695517.html) | -| [第 15 章 内存映射和 DMA](http://www.embeddedlinux.org.cn/ldd3/ch15.html) | -| [ 内存管理（二）struct page ](http://blog.chinaunix.net/uid-30282771-id-5176971.html) | -| [进程页表页和内核页表](http://guojing.me/linux-kernel-architecture/posts/thread-page-table-and-kernel-page-table/) - -#1 前景回顾 -------- - -前面我们讲到[服务器体系(SMP, NUMA, MPP)与共享存储器架构(UMA和NUMA)](http://blog.csdn.net/gatieme/article/details/52098615) - -#1.1 UMA和NUMA两种模型 -------- - -共享存储型多处理机有两种模型 - -* 均匀存储器存取（Uniform-Memory-Access，简称UMA）模型 - - 将可用内存以连续方式组织起来, -* 非均匀存储器存取（Nonuniform-Memory-Access，简称NUMA）模型 - -##1.2 UMA模型 -------- - -传统的多核运算是使用SMP(Symmetric Multi-Processor )模式：将多个处理器与一个集中的存储器和I/O总线相连。所有处理器只能访问同一个物理存储器，因此SMP系统有时也被称为一致存储器访问（UMA）结构体系，一致性意指无论在什么时候，处理器只能为内存的每个数据保持或共享唯一一个数值。 - - - ->物理存储器被所有处理机均匀共享。所有处理机对所有存储字具有相同的存取时间，这就是为什么称它为均匀存储器存取的原因。每台处理机可以有私用高速缓存,外围设备也以一定形式共享。 - -很显然，SMP的缺点是可伸缩性有限，因为在存储器和I/O接口达到饱和的时候，增加处理器并不能获得更高的性能，与之相对应的有AMP架构，不同核之间有主从关系，如一个核控制另外一个核的业务，可以理解为多核系统中控制平面和数据平面。 - -##1.3 NUMA模型 -------- - - -NUMA模式是一种分布式存储器访问方式，处理器可以同时访问不同的存储器地址，大幅度提高并行性。 NUMA总是多处理器计算机,系统的哪个CPU都有本地内存, 可支持快速的访问, 各个处理器之前通过总线链接起来, 以支持堆其他CPU的本地内存的访问, 当然访问要比本地内存慢. - - -NUMA模式下，处理器被划分成多个"节点"（node）， 每个节点被分配有的本地存储器空间。 所有节点中的处理器都可以访问全部的系统物理存储器，但是访问本节点内的存储器所需要的时间，比访问某些远程节点内的存储器所花的时间要少得多。 - ->其访问时间随存储字的位置不同而变化。其共享存储器物理上是分布在所有处理机的本地存储器上。所有本地存储器的集合组成了全局地址空间，可被所有的处理机访问。处理机访问本地存储器是比较快的，但访问属于另一台处理机的远程存储器则比较慢，因为通过互连网络会产生附加时延。 - -NUMA 的主要优点是伸缩性。NUMA 体系结构在设计上已超越了 SMP 体系结构在伸缩性上的限制。通过 SMP，所有的内存访问都传递到相同的共享内存总线。这种方式非常适用于 CPU 数量相对较少的情况，但不适用于具有几十个甚至几百个 CPU 的情况，因为这些 CPU 会相互竞争对共享内存总线的访问。NUMA 通过限制任何一条内存总线上的 CPU 数量并依靠高速互连来连接各个节点，从而缓解了这些瓶颈状况。 - - - -#2 (N)UMA模型中linux内存的机构 -------- - - -Linux适用于各种不同的体系结构, 而不同体系结构在内存管理方面的差别很大. 因此linux内核需要用一种体系结构无关的方式来表示内存. - -Linux内核通过插入一些兼容层, 使得不同体系结构的差异很好的被隐藏起来, 内核对一致和非一致内存访问使用相同的数据结构 - - -#2.1 (N)UMA模型中linux内存的机构 -------- - - - -非一致存储器访问(NUMA)模式下 - -* 处理器被划分成多个"节点"(node), 每个节点被分配有的本地存储器空间. 所有节点中的处理器都可以访问全部的系统物理存储器，但是访问本节点内的存储器所需要的时间，比访问某些远程节点内的存储器所花的时间要少得多 - - -* 内存被分割成多个区域（BANK，也叫"簇"），依据簇与处理器的"距离"不同, 访问不同簇的代码也会不同. 比如，可能把内存的一个簇指派给每个处理器，或则某个簇和设备卡很近，很适合DMA，那么就指派给该设备。因此当前的多数系统会把内存系统分割成2块区域，一块是专门给CPU去访问，一块是给外围设备板卡的DMA去访问 - ->在UMA系统中, 内存就相当于一个只使用一个NUMA节点来管理整个系统的内存. 而内存管理的其他地方则认为他们就是在处理一个(伪)NUMA系统. - - - -#2.2 Linux物理内存的组织形式 -------- - -Linux把物理内存划分为三个层次来管理 - -| 层次 | 描述 | -|:----:|:----:| -| 存储节点(Node) | CPU被划分为多个节点(node), 内存则被分簇, 每个CPU对应一个本地物理内存, 即一个CPU-node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点 | -| 管理区(Zone) | 每个物理内存节点node被划分为多个内存管理区域, 用于表示不同范围的内存, 内核可以使用不同的映射方式映射物理内存 | -| 页面(Page) | 内存被细分为多个页面帧, 页面是最基本的页面分配的单位　｜ - -为了支持NUMA模型，也即CPU对不同内存单元的访问时间可能不同，此时系统的物理内存被划分为几个节点(node), 一个node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点 - -* 首先, 内存被划分为结点. 每个节点关联到系统中的一个处理器, 内核中表示为`pg_data_t`的实例. 系统中每个节点被链接到一个以NULL结尾的`pgdat_list`链表中<而其中的每个节点利用`pg_data_tnode_next`字段链接到下一节．而对于PC这种UMA结构的机器来说, 只使用了一个成为contig_page_data的静态pg_data_t结构. - -* 接着各个节点又被划分为内存管理区域, 一个管理区域通过struct zone_struct描述, 其被定义为zone_t, 用以表示内存的某个范围, 低端范围的16MB被描述为ZONE_DMA, 某些工业标准体系结构中的(ISA)设备需要用到它, 然后是可直接映射到内核的普通内存域ZONE_NORMAL,最后是超出了内核段的物理地址域ZONE_HIGHMEM, 被称为高端内存.　是系统中预留的可用内存空间, 不能被内核直接映射. - - -在一个单独的节点内，任一给定CPU访问页面所需的时间都是相同的。然而，对不同的CPU，这个时间可能就不同。对每个CPU而言，内核都试图把耗时节点的访问次数减到最少这就要小心地选择CPU最常引用的内核数据结构的存放位置. - -对于UMA体系的，系统中只有一个node - -在LINUX中引入一个数据结构`struct pglist_data` ，来描述一个node，定义在[`include/linux/mmzone.h`](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mmzone.h#L630) 文件中。（这个结构被typedef pg_data_t）。 - - -* 对于NUMA系统来讲， 整个系统的内存由一个[node_data](http://lxr.free-electrons.com/source/arch/s390/numa/numa.c?v=4.7#L23)的pg_data_t指针数组来管理。(因为可能有多个node)，系统中的每个节点链接到一个以NULL结尾的[pgdat_list](http://lxr.free-electrons.com/source/arch/ia64/include/asm/numa.h#L27)链表中，而其中的每个节点利用pd_data_tnode_next字段链接到下一个节点。 - - -* 对于PC这样的UMA系统，使用struct pglist_datacontig_page_data ，作为系统唯一的node管理所有的内存区域。（UMA系统中中只有一个node） - - - - -##内存节点node -------- - ->CPU被划分为多个节点(node), 内存则被分簇, 每个CPU对应一个本地物理内存, 即一个CPU-node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点 -> ->系统的物理内存被划分为几个节点(node), 一个node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点 - -* 首先, 内存被划分为结点. 每个节点关联到系统中的一个处理器, 内核中表示为`pg_data_t`的实例. 系统中每个节点被链接到一个以NULL结尾的`pgdat_list`链表中<而其中的每个节点利用`pg_data_tnode_next`字段链接到下一节．而对于PC这种UMA结构的机器来说, 只使用了一个成为contig_page_data的静态pg_data_t结构. - - -内存中的每个节点都是由pg_data_t描述,而pg_data_t由struct pglist_data定义而来, 该数据结构定义在[include/linux/mmzone.h, line 615](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mmzone.h#L615) - - -在分配一个页面时, Linux采用节点局部分配的策略, 从最靠近运行中的CPU的节点分配内存, 由于进程往往是在同一个CPU上运行, 因此从当前节点得到的内存很可能被用到 - - -在内存中，每个簇所对应的node又被分成的称为管理区（zone）的块，它们各自描述在内存中的范围。一个管理区（zone）由[struct zone](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mmzone.h#L326)结构体来描述，在linux-2.4.37之前的内核中是用[`typedef struct zone_struct zone_t `](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mmzone.h?v=2.4.37#L47)数据结构来描述） - -管理区的类型有如下几种 -* ZONE_DMA -* ZONE_NORMAL -* ZONE_HIGHMEM这三种类型 - -不同的管理区的用途是不一样的，ZONE_DMA类型的内存区域在物理内存的低端，主要是ISA设备只能用低端的地址做DMA操作。ZONE_NORMAL类型的内存区域直接被内核映射到线性地址空间上面的区域（line address space），ZONE_HIGHMEM将保留给系统使用，是系统中预留的可用内存空间，不能被内核直接映射。 - -对于x86机器，管理区（内存区域）类型如下分布 - -| 类型 | 区域 | -| :------- | ----: | -| ZONE_DMA | 0~16MB | -| ZONE_NORMAL | 16MB~896MB | -| ZONE_HIGHMEM | 896MB~物理内存结束 | - -##内存页page -------- - -大多数内核（kernel）的操作只使用ZONE_NORMAL区域，系统内存由很多固定大小的内存块组成的，这样的内存块称作为“页”（PAGE）， - -x86体系结构中，page的大小为4096个字节。 - -每个物理的页由一个`struct page`的数据结构对象来描述。页的数据结构对象都保存在`mem_map`全局数组中，该数组通常被存放在ZONE_NORMAL的首部，或者就在小内存系统中为装入内核映像而预留的区域之后。从载入内核的低地址内存区域的后面内存区域，也就是ZONE_NORMAL开始的地方的内存的页的数据结构对象，都保存在这个全局数组中。 - - - -##高端内存 -------- - -由于能够被Linux内核直接访问的ZONE_NORMAL区域的内存空间也是有限的，所以LINUX提出了高端内存（High memory）的概念，并且允许对高端内存的访问 +服务器体系与共享存储器架构 +======= + +| 日期 | 内核版本 | 架构| 作者 | GitHub| CSDN | +| ------- |:-------:|:-------:|:-------:|:-------:|:-------:| +| 2016-06-14 | [Linux-4.7](http://lxr.free-electrons.com/source/?v=4.7) | X86 & arm | [gatieme](http://blog.csdn.net/gatieme) | [LinuxDeviceDrivers](https://github.com/gatieme/LDD-LinuxDeviceDrivers) | [Linux内存管理](http://blog.csdn.net/gatieme/article/category/6225543) | + + + + + +##参照 +------- + +| 链接 | +|:-------:| +| [内存管理（一）内存模型之Node](http://biancheng.dnbcw.info/linux/387391.html) | +| [Linux 内存管理 重要结构体](http://blog.chinaunix.net/uid-26009500-id-3078986.html) | +| [Bootmem机制](http://blog.csdn.net/samssm/article/details/25064897) | +| [Linux-2.6.32 NUMA架构之内存和调度](http://www.cnblogs.com/zhenjing/archive/2012/03/21/linux_numa.html) | +| [Linux 用户空间与内核空间——高端内存详解](http://blog.csdn.net/tommy_wxie/article/details/17122923) | +| [探索 Linux 内存模型](http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-memmod/) | +| [Linux内存管理](http://blog.chinaunix.net/uid/21718047/cid-151509-list-2.html) | +| [内存管理-之内核内存管理-基于linux3.10](http://blog.csdn.net/shichaog/article/details/45509917) | +| [内存管理(一)](http://www.cnblogs.com/openix/p/3334026.html) | +| [Linux内存管理原理](http://www.cnblogs.com/zhaoyl/p/3695517.html) | +| [第 15 章 内存映射和 DMA](http://www.embeddedlinux.org.cn/ldd3/ch15.html) | +| [ 内存管理（二）struct page ](http://blog.chinaunix.net/uid-30282771-id-5176971.html) | +| [进程页表页和内核页表](http://guojing.me/linux-kernel-architecture/posts/thread-page-table-and-kernel-page-table/) + +#1 前景回顾 +------- + +前面我们讲到[服务器体系(SMP, NUMA, MPP)与共享存储器架构(UMA和NUMA)](http://blog.csdn.net/gatieme/article/details/52098615) + +#1.1 UMA和NUMA两种模型 +------- + +共享存储型多处理机有两种模型 + +* 均匀存储器存取（Uniform-Memory-Access，简称UMA）模型 + + 将可用内存以连续方式组织起来, +* 非均匀存储器存取（Nonuniform-Memory-Access，简称NUMA）模型 + +##1.2 UMA模型 +------- + +传统的多核运算是使用SMP(Symmetric Multi-Processor )模式：将多个处理器与一个集中的存储器和I/O总线相连。所有处理器只能访问同一个物理存储器，因此SMP系统有时也被称为一致存储器访问（UMA）结构体系，一致性意指无论在什么时候，处理器只能为内存的每个数据保持或共享唯一一个数值。 + + + +>物理存储器被所有处理机均匀共享。所有处理机对所有存储字具有相同的存取时间，这就是为什么称它为均匀存储器存取的原因。每台处理机可以有私用高速缓存,外围设备也以一定形式共享。 + +很显然，SMP的缺点是可伸缩性有限，因为在存储器和I/O接口达到饱和的时候，增加处理器并不能获得更高的性能，与之相对应的有AMP架构，不同核之间有主从关系，如一个核控制另外一个核的业务，可以理解为多核系统中控制平面和数据平面。 + +##1.3 NUMA模型 +------- + + +NUMA模式是一种分布式存储器访问方式，处理器可以同时访问不同的存储器地址，大幅度提高并行性。 NUMA总是多处理器计算机,系统的哪个CPU都有本地内存, 可支持快速的访问, 各个处理器之前通过总线链接起来, 以支持堆其他CPU的本地内存的访问, 当然访问要比本地内存慢. + + +NUMA模式下，处理器被划分成多个"节点"（node）， 每个节点被分配有的本地存储器空间。 所有节点中的处理器都可以访问全部的系统物理存储器，但是访问本节点内的存储器所需要的时间，比访问某些远程节点内的存储器所花的时间要少得多。 + +>其访问时间随存储字的位置不同而变化。其共享存储器物理上是分布在所有处理机的本地存储器上。所有本地存储器的集合组成了全局地址空间，可被所有的处理机访问。处理机访问本地存储器是比较快的，但访问属于另一台处理机的远程存储器则比较慢，因为通过互连网络会产生附加时延。 + +NUMA 的主要优点是伸缩性。NUMA 体系结构在设计上已超越了 SMP 体系结构在伸缩性上的限制。通过 SMP，所有的内存访问都传递到相同的共享内存总线。这种方式非常适用于 CPU 数量相对较少的情况，但不适用于具有几十个甚至几百个 CPU 的情况，因为这些 CPU 会相互竞争对共享内存总线的访问。NUMA 通过限制任何一条内存总线上的 CPU 数量并依靠高速互连来连接各个节点，从而缓解了这些瓶颈状况。 + + + +#2 (N)UMA模型中linux内存的机构 +------- + + +Linux适用于各种不同的体系结构, 而不同体系结构在内存管理方面的差别很大. 因此linux内核需要用一种体系结构无关的方式来表示内存. + +Linux内核通过插入一些兼容层, 使得不同体系结构的差异很好的被隐藏起来, 内核对一致和非一致内存访问使用相同的数据结构 + + +#2.1 (N)UMA模型中linux内存的机构 +------- + + + +非一致存储器访问(NUMA)模式下 + +* 处理器被划分成多个"节点"(node), 每个节点被分配有的本地存储器空间. 所有节点中的处理器都可以访问全部的系统物理存储器，但是访问本节点内的存储器所需要的时间，比访问某些远程节点内的存储器所花的时间要少得多 + + +* 内存被分割成多个区域（BANK，也叫"簇"），依据簇与处理器的"距离"不同, 访问不同簇的代码也会不同. 比如，可能把内存的一个簇指派给每个处理器，或则某个簇和设备卡很近，很适合DMA，那么就指派给该设备。因此当前的多数系统会把内存系统分割成2块区域，一块是专门给CPU去访问，一块是给外围设备板卡的DMA去访问 + + +>在UMA系统中, 内存就相当于一个只使用一个NUMA节点来管理整个系统的内存. 而内存管理的其他地方则认为他们就是在处理一个(伪)NUMA系统. + + + +#2.2 Linux物理内存的组织形式 +------- + +Linux把物理内存划分为三个层次来管理 + +| 层次 | 描述 | +|:----:|:----:| +| 存储节点(Node) | CPU被划分为多个节点(node), 内存则被分簇, 每个CPU对应一个本地物理内存, 即一个CPU-node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点 | +| 管理区(Zone) | 每个物理内存节点node被划分为多个内存管理区域, 用于表示不同范围的内存, 内核可以使用不同的映射方式映射物理内存 | +| 页面(Page) | 内存被细分为多个页面帧, 页面是最基本的页面分配的单位　｜ + +为了支持NUMA模型，也即CPU对不同内存单元的访问时间可能不同，此时系统的物理内存被划分为几个节点(node), 一个node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点 + +* 首先, 内存被划分为结点. 每个节点关联到系统中的一个处理器, 内核中表示为`pg_data_t`的实例. 系统中每个节点被链接到一个以NULL结尾的`pgdat_list`链表中<而其中的每个节点利用`pg_data_tnode_next`字段链接到下一节．而对于PC这种UMA结构的机器来说, 只使用了一个成为contig_page_data的静态pg_data_t结构. + +* 接着各个节点又被划分为内存管理区域, 一个管理区域通过struct zone_struct描述, 其被定义为zone_t, 用以表示内存的某个范围, 低端范围的16MB被描述为ZONE_DMA, 某些工业标准体系结构中的(ISA)设备需要用到它, 然后是可直接映射到内核的普通内存域ZONE_NORMAL,最后是超出了内核段的物理地址域ZONE_HIGHMEM, 被称为高端内存.　是系统中预留的可用内存空间, 不能被内核直接映射. + + +* 最后页帧(page frame)代表了系统内存的最小单位, 堆内存中的每个页都会创建一个struct page的一个实例. 传统上，把内存视为连续的字节，即内存为字节数组，内存单元的编号(地址)可作为字节数组的索引. 分页管理时，将若干字节视为一页，比如4K byte. 此时，内存变成了连续的页，即内存为页数组，每一页物理内存叫页帧，以页为单位对内存进行编号，该编号可作为页数组的索引，又称为页帧号. + +在一个单独的节点内，任一给定CPU访问页面所需的时间都是相同的。然而，对不同的CPU，这个时间可能就不同。对每个CPU而言，内核都试图把耗时节点的访问次数减到最少这就要小心地选择CPU最常引用的内核数据结构的存放位置. + +对于UMA体系的，系统中只有一个node + +在LINUX中引入一个数据结构`struct pglist_data` ，来描述一个node，定义在[`include/linux/mmzone.h`](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mmzone.h#L630) 文件中。（这个结构被typedef pg_data_t）。 + + +* 对于NUMA系统来讲， 整个系统的内存由一个[node_data](http://lxr.free-electrons.com/source/arch/s390/numa/numa.c?v=4.7#L23)的pg_data_t指针数组来管理。(因为可能有多个node)，系统中的每个节点链接到一个以NULL结尾的[pgdat_list](http://lxr.free-electrons.com/source/arch/ia64/include/asm/numa.h#L27)链表中，而其中的每个节点利用pd_data_tnode_next字段链接到下一个节点。 + + +* 对于PC这样的UMA系统，使用struct pglist_data contig_page_data ，作为系统唯一的node管理所有的内存区域。（UMA系统中中只有一个node） + + + + +##内存节点node +------- + +>CPU被划分为多个节点(node), 内存则被分簇, 每个CPU对应一个本地物理内存, 即一个CPU-node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点 +> +>系统的物理内存被划分为几个节点(node), 一个node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点 + +* 首先, 内存被划分为结点. 每个节点关联到系统中的一个处理器, 内核中表示为`pg_data_t`的实例. 系统中每个节点被链接到一个以NULL结尾的`pgdat_list`链表中<而其中的每个节点利用`pg_data_tnode_next`字段链接到下一节．而对于PC这种UMA结构的机器来说, 只使用了一个成为contig_page_data的静态pg_data_t结构. + + +内存中的每个节点都是由pg_data_t描述,而pg_data_t由struct pglist_data定义而来, 该数据结构定义在[include/linux/mmzone.h, line 615](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mmzone.h#L615) + + +在分配一个页面时, Linux采用节点局部分配的策略, 从最靠近运行中的CPU的节点分配内存, 由于进程往往是在同一个CPU上运行, 因此从当前节点得到的内存很可能被用到 + + +在内存中，每个簇所对应的node又被分成的称为管理区（zone）的块，它们各自描述在内存中的范围。一个管理区（zone）由[struct zone](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mmzone.h#L326)结构体来描述，在linux-2.4.37之前的内核中是用[`typedef struct zone_struct zone_t `](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mmzone.h?v=2.4.37#L47)数据结构来描述） + +管理区的类型有如下几种 +* ZONE_DMA +* ZONE_NORMAL +* ZONE_HIGHMEM这三种类型 + +不同的管理区的用途是不一样的，ZONE_DMA类型的内存区域在物理内存的低端，主要是ISA设备只能用低端的地址做DMA操作。ZONE_NORMAL类型的内存区域直接被内核映射到线性地址空间上面的区域（line address space），ZONE_HIGHMEM将保留给系统使用，是系统中预留的可用内存空间，不能被内核直接映射。 + +对于x86机器，管理区（内存区域）类型如下分布 + +| 类型 | 区域 | +| :------- | ----: | +| ZONE_DMA | 0~16MB | +| ZONE_NORMAL | 16MB~896MB | +| ZONE_HIGHMEM | 896MB~物理内存结束 | + +##内存页page +------- + +大多数内核（kernel）的操作只使用ZONE_NORMAL区域，系统内存由很多固定大小的内存块组成的，这样的内存块称作为“页”（PAGE）， + +x86体系结构中，page的大小为4096个字节。 + +每个物理的页由一个`struct page`的数据结构对象来描述。页的数据结构对象都保存在`mem_map`全局数组中，该数组通常被存放在ZONE_NORMAL的首部，或者就在小内存系统中为装入内核映像而预留的区域之后。从载入内核的低地址内存区域的后面内存区域，也就是ZONE_NORMAL开始的地方的内存的页的数据结构对象，都保存在这个全局数组中。 + + + +##高端内存 +------- + +由于能够被Linux内核直接访问的ZONE_NORMAL区域的内存空间也是有限的，所以LINUX提出了高端内存（High memory）的概念，并且允许对高端内存的访问 diff --git a/study/kernel/02-memory/01-description/04-page/README.md b/study/kernel/02-memory/01-description/04-page/README.md index 61c4900..23c0c61 100644 --- a/study/kernel/02-memory/01-description/04-page/README.md +++ b/study/kernel/02-memory/01-description/04-page/README.md @@ -1,675 +1,695 @@ - 服务器体系与共享存储器架构 -======= - -| 日期 | 内核版本 | 架构| 作者 | GitHub| CSDN | -| ------- |:-------:|:-------:|:-------:|:-------:|:-------:| -| 2016-06-14 | [Linux-4.7](http://lxr.free-electrons.com/source/?v=4.7) | X86 & arm | [gatieme](http://blog.csdn.net/gatieme) | [LinuxDeviceDrivers](https://github.com/gatieme/LDD-LinuxDeviceDrivers) | [Linux内存管理](http://blog.csdn.net/gatieme/article/category/6225543) | - - - - -#1 前景回顾 -------- - -#1.1 UMA和NUMA两种模型 -------- - -共享存储型多处理机有两种模型 - -* 均匀存储器存取（Uniform-Memory-Access，简称UMA）模型 - - -* 非均匀存储器存取（Nonuniform-Memory-Access，简称NUMA）模型 - -#1.2 (N)UMA模型中linux内存的机构 -------- - -非一致存储器访问(NUMA)模式下 - -* 处理器被划分成多个"节点"(node), 每个节点被分配有的本地存储器空间. 所有节点中的处理器都可以访问全部的系统物理存储器，但是访问本节点内的存储器所需要的时间，比访问某些远程节点内的存储器所花的时间要少得多 - - -* 内存被分割成多个区域（BANK，也叫"簇"），依据簇与处理器的"距离"不同, 访问不同簇的代码也会不同. - - -##1.3 Linux如何描述物理内存 -------- - -Linux把物理内存划分为三个层次来管理 - -| 层次 | 描述 | -|:----:|:----:| -| 存储节点(Node) | CPU被划分为多个节点(node), 内存则被分簇, 每个CPU对应一个本地物理内存, 即一个CPU-node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点 | -| 管理区(Zone) | 每个物理内存节点node被划分为多个内存管理区域, 用于表示不同范围的内存, 内核可以使用不同的映射方式映射物理内存 | -| 页面(Page) | 内存被细分为多个页面帧, 页面是最基本的页面分配的单位　｜ - - -* 首先内存被划分为结点. 内存中的每个节点都是由pg_data_t描述,而pg_data_t由struct pglist_data定义而来, 该数据结构定义在[include/linux/mmzone.h, line 615](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mmzone.h#L615), 每个结点关联到系统中的一个处理器, 内核中表示为`pg_data_t`的实例. 系统中每个节点被链接到一个以NULL结尾的`pgdat_list`链表中<而其中的每个节点利用`pg_data_tnode_next`字段链接到下一节．而对于PC这种UMA结构的机器来说, 只使用了一个成为contig_page_data的静态pg_data_t结构. - - -* 接着各个节点又被划分为内存管理区域, 一个管理区域通过struct zone_struct描述, 其被定义为zone_t, 用以表示内存的某个范围, 低端范围的16MB被描述为ZONE_DMA, 某些工业标准体系结构中的(ISA)设备需要用到它, 然后是可直接映射到内核的普通内存域ZONE_NORMAL,最后是超出了内核段的物理地址域ZONE_HIGHMEM, 被称为高端内存.　是系统中预留的可用内存空间, 不能被内核直接映射. - -* 最后页帧(page frame)代表了系统内存的最小单位, 堆内存中的每个页都会创建一个struct page的一个实例. 传统上，把内存视为连续的字节，即内存为字节数组，内存单元的编号(地址)可作为字节数组的索引. 分页管理时，将若干字节视为一页，比如4K byte. 此时，内存变成了连续的页，即内存为页数组，每一页物理内存叫页帧，以页为单位对内存进行编号，该编号可作为页数组的索引，又称为页帧号. - - -##1.4 今日内容(页帧struct page) -------- - - -分页单元可以实现把线性地址转换为物理地址, 为了效率起见, 线性地址被分为固定长度为单位的组, 称为"页", 页内部的线性地址被映射到连续的物理地址. 这样内核可以指定一个页的物理地址和其存储权限, 而不用指定页所包含的全部线性地址的存储权限. - -分页单元把所有RAM分为固定长度的页帧(也叫页框, 物理页, 英文page frame). 每一个页帧包含一个页(page). 也就是说一个页帧的长度与一个页的长度一致. 页框是主存的一部分, 因此也是一个存储区域. 简单来说, 页是一个数据块, 可以存放在任何页框(内存中)或者磁盘(被交换至交换分区)中 - -我们今天就来详细讲解一下linux下物理页帧的描述 - -#2 页帧 -------- - -内核把物理页作为内存管理的基本单位. 尽管处理器的最小可寻址单位通常是字, 但是, 内存管理单元MMU通常以页为单位进行处理. 因此，从虚拟内存的上来看，页就是最小单位. - -页帧代表了系统内存的最小单位, 对内存中的每个页都会创建struct page的一个实例. 内核必须要保证page结构体足够的小，否则仅struct page就要占用大量的内存. - -因为即使在中等程序的内存配置下, 系统的内存同样会分解为大量的页. 例如, IA-32系统中标准页长度为4KB, 在内存大小为384MB时, 大约有100000页. 就当今的标准而言, 这个容量算不上很大, 但页的数目已经非常可观了 - -因而出于节省内存的考虑，内核要尽力保持struct page尽可能的小. 在典型的系统中, 由于页的数目巨大, 因此对page结构的小改动, 也可能导致保存所有page实例所需的物理内存暴涨. - -页的广泛使用, 增加了保持结构长度的难度 : 内存管理的许多部分都使用页, 用于各种不同的用途. 内核的一部分可能完全依赖于struct page提供的特定信息, 而这部分信息堆内核的其他部分页可能是完全无用的. 等等. - - -##2.1 struct page结构 -------- - - 内核用[struct page(include/linux/mm_types.h?v=4.7, line 45)](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mm_types.h?v4.7#L45)结构表示系统中的每个物理页. - -出于节省内存的考虑，struct page中使用了大量的联合体union. - -```cpp -/* - * Each physical page in the system has a struct page associated with - * it to keep track of whatever it is we are using the page for at the - * moment. Note that we have no way to track which tasks are using - * a page, though if it is a pagecache page, rmap structures can tell us - * who is mapping it. - * - * The objects in struct page are organized in double word blocks in - * order to allows us to use atomic double word operations on portions - * of struct page. That is currently only used by slub but the arrangement - * allows the use of atomic double word operations on the flags/mapping - * and lru list pointers also. - */ -struct page { - /* First double word block */ - unsigned long flags; /* Atomic flags, some possibly updated asynchronously - 描述page的状态和其他信息 */ - union - { - struct address_space *mapping; /* If low bit clear, points to - * inode address_space, or NULL. - * If page mapped as anonymous - * memory, low bit is set, and - * it points to anon_vma object: - * see PAGE_MAPPING_ANON below. - */ - void *s_mem; /* slab first object */ - atomic_t compound_mapcount; /* first tail page */ - /* page_deferred_list().next -- second tail page */ - }; - - /* Second double word */ - struct { - union { - pgoff_t index; /* Our offset within mapping. - 在映射的虚拟空间（vma_area）内的偏移； - 一个文件可能只映射一部分，假设映射了1M的空间， - index指的是在1M空间内的偏移，而不是在整个文件内的偏移。 */ - void *freelist; /* sl[aou]b first free object */ - /* page_deferred_list().prev -- second tail page */ - }; - - union { -#if defined(CONFIG_HAVE_CMPXCHG_DOUBLE) && \ - defined(CONFIG_HAVE_ALIGNED_STRUCT_PAGE) - /* Used for cmpxchg_double in slub */ - unsigned long counters; -#else - /* - * Keep _refcount separate from slub cmpxchg_double - * data. As the rest of the double word is protected by - * slab_lock but _refcount is not. - */ - unsigned counters; -#endif - - struct { - - union { - /* - * Count of ptes mapped in mms, to show - * when page is mapped & limit reverse - * map searches. - * 页映射计数器 - */ - atomic_t _mapcount; - - struct { /* SLUB */ - unsigned inuse:16; - unsigned objects:15; - unsigned frozen:1; - }; - int units; /* SLOB */ - }; - /* - * Usage count, *USE WRAPPER FUNCTION* - * when manual accounting. See page_ref.h - * 页引用计数器 - */ - atomic_t _refcount; - }; - unsigned int active; /* SLAB */ - }; - }; - - /* - * Third double word block - * - * WARNING: bit 0 of the first word encode PageTail(). That means - * the rest users of the storage space MUST NOT use the bit to - * avoid collision and false-positive PageTail(). - */ - union { - struct list_head lru; /* Pageout list, eg. active_list - * protected by zone->lru_lock ! - * Can be used as a generic list - * by the page owner. - */ - struct dev_pagemap *pgmap; /* ZONE_DEVICE pages are never on an - * lru or handled by a slab - * allocator, this points to the - * hosting device page map. - */ - struct { /* slub per cpu partial pages */ - struct page *next; /* Next partial slab */ -#ifdef CONFIG_64BIT - int pages; /* Nr of partial slabs left */ - int pobjects; /* Approximate # of objects */ -#else - short int pages; - short int pobjects; -#endif - }; - - struct rcu_head rcu_head; /* Used by SLAB - * when destroying via RCU - */ - /* Tail pages of compound page */ - struct { - unsigned long compound_head; /* If bit zero is set */ - - /* First tail page only */ -#ifdef CONFIG_64BIT - /* - * On 64 bit system we have enough space in struct page - * to encode compound_dtor and compound_order with - * unsigned int. It can help compiler generate better or - * smaller code on some archtectures. - */ - unsigned int compound_dtor; - unsigned int compound_order; -#else - unsigned short int compound_dtor; - unsigned short int compound_order; -#endif - }; - -#if defined(CONFIG_TRANSPARENT_HUGEPAGE) && USE_SPLIT_PMD_PTLOCKS - struct { - unsigned long __pad; /* do not overlay pmd_huge_pte - * with compound_head to avoid - * possible bit 0 collision. - */ - pgtable_t pmd_huge_pte; /* protected by page->ptl */ - }; -#endif - }; - - /* Remainder is not double word aligned */ - union { - unsigned long private; /* Mapping-private opaque data: - * usually used for buffer_heads - * if PagePrivate set; used for - * swp_entry_t if PageSwapCache; - * indicates order in the buddy - * system if PG_buddy is set. - * 私有数据指针，由应用场景确定其具体的含义 - */ -#if USE_SPLIT_PTE_PTLOCKS -#if ALLOC_SPLIT_PTLOCKS - spinlock_t *ptl; -#else - spinlock_t ptl; -#endif -#endif - struct kmem_cache *slab_cache; /* SL[AU]B: Pointer to slab */ - }; - -#ifdef CONFIG_MEMCG - struct mem_cgroup *mem_cgroup; -#endif - - /* - * On machines where all RAM is mapped into kernel address space, - * we can simply calculate the virtual address. On machines with - * highmem some memory is mapped into kernel virtual memory - * dynamically, so we need a place to store that address. - * Note that this field could be 16 bits on x86 ... ;) - * - * Architectures with slow multiplication can define - * WANT_PAGE_VIRTUAL in asm/page.h - */ -#if defined(WANT_PAGE_VIRTUAL) - void *virtual; /* Kernel virtual address (NULL if - not kmapped, ie. highmem) */ -#endif /* WANT_PAGE_VIRTUAL */ - -#ifdef CONFIG_KMEMCHECK - /* - * kmemcheck wants to track the status of each byte in a page; this - * is a pointer to such a status block. NULL if not tracked. - */ - void *shadow; -#endif - -#ifdef LAST_CPUPID_NOT_IN_PAGE_FLAGS - int _last_cpupid; -#endif -} -/* - * The struct page can be forced to be double word aligned so that atomic ops - * on double words work. The SLUB allocator can make use of such a feature. - */ -#ifdef CONFIG_HAVE_ALIGNED_STRUCT_PAGE - __aligned(2 * sizeof(unsigned long)) -#endif -; -``` - -| 字段 | 描述 | -|:---:|:----:| -| flag | 用来存放页的状态，每一位代表一种状态，所以至少可以同时表示出32中不同的状态,这些状态定义在linux/page-flags.h中 | -| virtual | 对于如果物理内存可以直接映射内核的系统, 我们可以之间映射出虚拟地址与物理地址的管理, 但是对于需要使用高端内存区域的页, 即无法直接映射到内核的虚拟地址空间, 因此需要用virtual保存该页的虚拟地址 | -| _refcount | 引用计数，表示内核中引用该page的次数, 如果要操作该page, 引用计数会+1, 操作完成-1. 当该值为0时, 表示没有引用该page的位置，所以该page可以被解除映射，这往往在内存回收时是有用的 | -| _mapcount | 被页表映射的次数，也就是说该page同时被多少个进程共享。初始值为-1，如果只被一个进程的页表映射了，该值为0. 如果该page处于伙伴系统中，该值为PAGE_BUDDY_MAPCOUNT_VALUE（-128），内核通过判断该值是否为PAGE_BUDDY_MAPCOUNT_VALUE来确定该page是否属于伙伴系统 | -| index | 在映射的虚拟空间（vma_area）内的偏移；一个文件可能只映射一部分，假设映射了1M的空间，index指的是在1M空间内的偏移，而不是在整个文件内的偏移 | -| private | 私有数据指针，由应用场景确定其具体的含义 | -| lru |链表头，用于在各种链表上维护该页, 以便于按页将不同类别分组, 主要有3个用途: 伙伴算法, slab分配器, 被用户态使用或被当做页缓存使用 | -| mapping | 指向与该页相关的address_space对象 | -| index | 页帧在映射内部的偏移量 - ->注意区分_count和_mapcount，_mapcount表示的是映射次数，而_count表示的是使用次数；被映射了不一定在使用，但要使用必须先映射。 - - - - - -##2.2 mapping & index -------- - - -mapping指定了页帧所在的地址空间, index是页帧在映射内部的偏移量. 地址空间是一个非常一般的概念. 例如, 可以用在向内存读取文件时. 地址空间用于将文件的内容与装载数据的内存区关联起来. mapping不仅能够保存一个指针, 而且还能包含一些额外的信息, 用于判断页是否属于未关联到地址空间的某个匿名内存区. - - -1. 如果mapping = 0，说明该page属于交换高速缓存页（swap cache）；当需要使用地址空间时会指定交换分区的地址空间swapper_space。 - -2. 如果mapping != 0，第0位bit[0] = 0，说明该page属于页缓存或文件映射，mapping指向文件的地址空间address_space。 - -3. 如果mapping != 0，第0位bit[0] != 0，说明该page为匿名映射，mapping指向struct anon_vma对象。 - - -通过mapping恢复anon_vma的方法：anon_vma = (struct anon_vma *)(mapping - PAGE_MAPPING_ANON)。 - - - -pgoff_t index是该页描述结构在地址空间radix树page_tree中的对象索引号即页号, 表示该页在vm_file中的偏移页数, 其类型pgoff_t被定义为unsigned long即一个机器字长. - - -```cpp -/* - * The type of an index into the pagecache. - */ -#define pgoff_t unsigned long -``` - -##2.3 private私有数据指针 -------- - -private私有数据指针, 由应用场景确定其具体的含义： - - -1. 如果设置了PG_private标志，则private字段指向struct buffer_head - -2. 如果设置了PG_compound，则指向struct page - - -3. 如果设置了PG_swapcache标志，private存储了该page在交换分区中对应的位置信息swp_entry_t。 - -4. 如果_mapcount = PAGE_BUDDY_MAPCOUNT_VALUE，说明该page位于伙伴系统，private存储该伙伴的阶 - - - -##2.4 lru链表头 -------- - -最近、最久未使用struct slab结构指针变量 - -lru：链表头，主要有3个用途： - -1. 则page处于伙伴系统中时，用于链接相同阶的伙伴（只使用伙伴中的第一个page的lru即可达到目的）。 - -2. 设置PG_slab, 则page属于slab，page->lru.next指向page驻留的的缓存的管理结构，page->lru.prec指向保存该page的slab的管理结构。 - -3. page被用户态使用或被当做页缓存使用时，用于将该page连入zone中相应的lru链表，供内存回收时使用。 - - - - -#3 体系结构无关的页面的状态flags -------- - -页的不同属性通过一系列页标志描述, 存储在struct page的flag成员中的各个比特位. - -```cpp -struct page { - /* First double word block */ - unsigned long flags; /* Atomic flags, - some possibly updated asynchronously, 描述page的状态和其他信息 */ -``` - - - -这些标识是独立于体系结构的, 因而无法通过特定于CPU或计算机的信息(该信息保存在页表中) - - - - -##3.1 页面到管理区和节点的映射 -------- - - -在**早期的linux-2.4.18的内核**中, [struct page存储有一个指向对应管理区的指针page->zone](http://lxr.linux.no/linux-old+v2.4.18/include/linux/mm.h#L167), 但是该这hi真在吼吼被认为是一种浪费, 因为如果有成千上万的这样的struct page存在, 那么即使是很小的指针也会消耗大量的内存空间. - -因此在**后来linux-2.4.x的更新**中, 删除了这个字段, 取而代之的是page->flags的最高[ZONE_SHIFT位](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mm.h?v=2.4.37#L340)和NODE_SHIFT位, 存储了其所在zone和node在内存区域表zone_table的编号索引. - - - -那么内核在初始化内存管理区时, 首先建立管理区表zone_table. 参见[mm/page_alloc.c?v=2.4.37, line 38](http://lxr.free-electrons.com/source/mm/page_alloc.c?v=2.4.37#L38) - -```cpp -/* - * - * The zone_table array is used to look up the address of the - * struct zone corresponding to a given zone number (ZONE_DMA, - * ZONE_NORMAL, or ZONE_HIGHMEM). - */ -zone_t *zone_table[MAX_NR_ZONES*MAX_NR_NODES]; -EXPORT_SYMBOL(zone_table); -``` - - -MAX_NR_ZONES是一个节点中所能包容纳的管理区的最大数, 如3个, 定义在[include/linux/mmzone.h?v=2.4.37, line 25](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mmzone.h?v=2.4.37#L25), 与zone区域的类型(ZONE_DMA, ZONE_NORMAL, ZONE_HIGHMEM)定义在一起. 当然这时候我们这些标识都是通过宏的方式来实现的, 而不是如今的枚举类型 - - -MAX_NR_NODES是可以存在的节点的最大数. - -函数EXPORT_SYMBOL使得内核的变量或者函数可以被载入的模块(比如我们的驱动模块)所访问. - -该表处理起来就像一个多维数组, 在函数free_area_init_core中, 一个节点的所有页面都会被初始化. - -内核提供了page_zone通过页面查找其对应的内存区域zone_t, 页提供了set_page_zone接口, 而查找到了zone后, 可以通过 其`struct pglist_data *zone_pgdat`直接获取其所在node信息 - -```cpp -/* - * The zone field is never updated after free_area_init_core() - * sets it, so none of the operations on it need to be atomic. - */ -#define NODE_SHIFT 4 -#define ZONE_SHIFT (BITS_PER_LONG - 8) - -struct zone_struct; -extern struct zone_struct *zone_table[]; - -static inline zone_t *page_zone(struct page *page) -{ - return zone_table[page->flags >> ZONE_SHIFT]; -} - -static inline void set_page_zone(struct page *page, unsigned long zone_num) -{ - page->flags &= ~(~0UL << ZONE_SHIFT); - page->flags |= zone_num << ZONE_SHIFT; -} -``` - -而**后来的内核(至今linux-4.7)**中, 这些必要的标识(ZONE_DMA等)都是通过枚举类型实现的(ZONE_DMA等用enum zone_type定义), 然后zone_table也被移除, 参照[[PATCH] zone table removal miss merge](https://lkml.org/lkml/2006/9/27/112) - -因此内核提供了新的思路, 参见[include/linux/mm.h?v4.7, line 907](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mm.h?v4.7#L907) - - -```cpp -static inline struct zone *page_zone(const struct page *page) -{ - return &NODE_DATA(page_to_nid(page))->node_zones[page_zonenum(page)]; -} - -static inline void set_page_zone(struct page *page, enum zone_type zone) -{ - page->flags &= ~(ZONES_MASK << ZONES_PGSHIFT); - page->flags |= (zone & ZONES_MASK) << ZONES_PGSHIFT; -} - -static inline void set_page_node(struct page *page, unsigned long node) -{ - page->flags &= ~(NODES_MASK << NODES_PGSHIFT); - page->flags |= (node & NODES_MASK) << NODES_PGSHIFT; -} -``` - - -其中NODE_DATA使用了全局的node表进行索引. - -在UMA结构的机器中, 只有一个node结点即contig_page_data, 此时NODE_DATA直接指向了全局的contig_page_data, 而与node的编号nid无关, 参照[include/linux/mmzone.h?v=4.7, line 858](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mmzone.h?v=4.7#L858), 其中全局唯一的cnode结点ontig_page_data定义在[mm/nobootmem.c?v=4.7, line 27](http://lxr.free-electrons.com/source/mm/nobootmem.c?v=4.7#L27) - - -```cpp -#ifndef CONFIG_NEED_MULTIPLE_NODES -extern struct pglist_data contig_page_data; -#define NODE_DATA(nid) (&contig_page_data) -#define NODE_MEM_MAP(nid) mem_map -else -/* ...... */ -#endif -``` - -而对于NUMA结构的系统中, 所有的node都存储在node_data数组中, -NODE_DATA直接通过node编号索引即可, 参见[NODE_DATA的定义](http://lxr.free-electrons.com/ident?v=4.7;i=NODE_DATA) - -```cpp -extern struct pglist_data *node_data[]; -#define NODE_DATA(nid) (node_data[(nid)]) -``` - - -那么page的flags标识主要分为4部分，其中标志位flag向高位增长, 其余位字段向低位增长，中间存在空闲位 - -| 字段 | 描述 | -|:----:|:---:| -| section | 主要用于稀疏内存模型SPARSEMEM，可忽略 | -| node | NUMA节点号, 标识该page属于哪一个节点 | -| zone | 内存域标志，标识该page属于哪一个zone | -| flag | page的状态标识 | - - -如下图所示 - -![page的flags标识](./images/flags.png) - - -##3.2 内存页标识pageflags -------- - - -其中最后一个flag用于标识page的状态, 这些状态由枚举常量[`enum pageflags`](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/page-flags.h?v=4.7#L74)定义, 定义在[include/linux/page-flags.h?v=4.7, line 74](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/page-flags.h?v=4.7#L74). 常用的有如下状态 - - - - - - - -```cpp -enum pageflags { - PG_locked, /* Page is locked. Don't touch. */ - PG_error, - PG_referenced, - PG_uptodate, - PG_dirty, - PG_lru, - PG_active, - PG_slab, - PG_owner_priv_1, /* Owner use. If pagecache, fs may use*/ - PG_arch_1, - PG_reserved, - PG_private, /* If pagecache, has fs-private data */ - PG_private_2, /* If pagecache, has fs aux data */ - PG_writeback, /* Page is under writeback */ - PG_head, /* A head page */ - PG_swapcache, /* Swap page: swp_entry_t in private */ - PG_mappedtodisk, /* Has blocks allocated on-disk */ - PG_reclaim, /* To be reclaimed asap */ - PG_swapbacked, /* Page is backed by RAM/swap */ - PG_unevictable, /* Page is "unevictable" */ -#ifdef CONFIG_MMU - PG_mlocked, /* Page is vma mlocked */ -#endif -#ifdef CONFIG_ARCH_USES_PG_UNCACHED - PG_uncached, /* Page has been mapped as uncached */ -#endif -#ifdef CONFIG_MEMORY_FAILURE - PG_hwpoison, /* hardware poisoned page. Don't touch */ -#endif -#if defined(CONFIG_IDLE_PAGE_TRACKING) && defined(CONFIG_64BIT) - PG_young, - PG_idle, -#endif - __NR_PAGEFLAGS, - - /* Filesystems */ - PG_checked = PG_owner_priv_1, - - /* Two page bits are conscripted by FS-Cache to maintain local caching - * state. These bits are set on pages belonging to the netfs's inodes - * when those inodes are being locally cached. - */ - PG_fscache = PG_private_2, /* page backed by cache */ - - /* XEN */ - /* Pinned in Xen as a read-only pagetable page. */ - PG_pinned = PG_owner_priv_1, - /* Pinned as part of domain save (see xen_mm_pin_all()). */ - PG_savepinned = PG_dirty, - /* Has a grant mapping of another (foreign) domain's page. */ - PG_foreign = PG_owner_priv_1, - - /* SLOB */ - PG_slob_free = PG_private, - - /* Compound pages. Stored in first tail page's flags */ - PG_double_map = PG_private_2, -}; -``` - - -| 页面状态 | 描述 | -|:-------:|:----:| -| PG_locked | 指定了页是否被锁定, 如果该比特未被置位, 说明有使用者正在操作该page, 则内核的其他部分不允许访问该页， 这可以防止内存管理出现竞态条件 | -| PG_error | 如果涉及该page的I/O操作发生了错误, 则该位被设置 | -| PG_referenced | 表示page刚刚被访问过 | -| PG_uptodate | 表示page的数据已经与后备存储器是同步的, 即页的数据已经从块设备读取，且没有出错,数据是最新的 | -| PG_dirty | 与后备存储器中的数据相比，该page的内容已经被修改. 出于性能能的考虑，页并不在每次改变后立即回写, 因此内核需要使用该标识来表明页面中的数据已经改变, 应该在稍后刷出 | -| PG_lru | 表示该page处于LRU链表上， 这有助于实现页面的回收和切换. 内核使用两个最近最少使用(least recently used-LRU)链表来区别活动和不活动页. 如果页在其中一个链表中, 则该位被设置 | -| PG_active | page处于inactive LRU链表, PG_active和PG_referenced一起控制该page的活跃程度，这在内存回收时将会非常有用
当位于LRU active_list链表上的页面该位被设置, 并在页面移除时清除该位, 它标记了页面是否处于活动状态 | -| PG_slab | 该page属于slab分配器 | -| PG_onwer_priv_1 | | -| PG_arch_1 | 直接从代码中引用, PG_arch_1是一个体系结构相关的页面状态位, 一般的代码保证了在第一次禁图页面高速缓存时, 该位被清除. 这使得体系结构可以延迟到页面被某个进程映射后， 才可以D-Cache刷盘 | -| PG_reserved | 设置该标志，防止该page被交换到swap | -| PG_private | 如果page中的private成员非空，则需要设置该标志, 用于I/O的页可使用该字段将页细分为多核缓冲区 | -| PG_private_2 | | -| PG_writeback | page中的数据正在被回写到后备存储器 | -| PG_head | | -| PG_swapcache | 表示该page处于swap cache中 | -| PG_mappedtodisk | 表示page中的数据在后备存储器中有对应 | -| PG_reclaim | 表示该page要被回收。当PFRA决定要回收某个page后，需要设置该标志 | -| PG_swapbacked | 该page的后备存储器是swap | -| PG_unevictable | 该page被锁住，不能交换，并会出现在LRU_UNEVICTABLE链表中，它包括的几种page：ramdisk或ramfs使用的页, shm_locked、mlock锁定的页 | -| PG_mlocked | 该page在vma中被锁定，一般是通过系统调用mlock()锁定了一段内存 | -| PG_uncached | | -| PG_hwpoison | | -| PG_young | | -| PG_idle | | - - - -内核中提供了一些标准宏，用来检查、操作某些特定的比特位，这些宏定义在[include/linux/page-flags.h?v=4.7, line 183](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/page-flags.h?v=4.7#L183) - - -```c -#define TESTPAGEFLAG(uname, lname, policy) -#define SETPAGEFLAG(uname, lname, policy) -#define CLEARPAGEFLAG(uname, lname, policy) -``` - -**关于page flags的早期实现** - - -* linux-2.6以后的内核中, 很少出现直接用宏定义的标识, 这些标识大多通过enum枚举常量来定义, 然后__NR_XXXX的形式结束, 正好可以标记出宏参数的个数, 但是在早期的实现中, 这些变量都通过宏来标识 - -例如我们的page->flags用enum pageflags来定义, 内存管理区类型通过zone_type来定义, 但是这些内容在早期的内核中都是通过宏定义来实现的. - -* 其次标识的函数接口也变了, 早期的内核中, 针对每个宏标识都设置了一组test/set/clear, 参见[/include/linux/mm.h?v=2.4.37, line 324](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mm.h?v=2.4.37#L324) - -形式如下 - -```cpp -PageXXX(page)：检查page是否设置了PG_XXX位 -SetPageXXX(page)：设置page的PG_XXX位 -ClearPageXXX(page)：清除page的PG_XXX位 -TestSetPageXXX(page)：设置page的PG_XXX位，并返回原值 -TestClearPageXXX(page)：清除page的PG_XXX位，并返回原值 -``` - - -很多情况下, 需要等待页的状态改变, 然后才能恢复工作. 因此内核提供了两个辅助函数 - -```cpp -http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/pagemap.h?v=4.7#L495 -/* - * Wait for a page to be unlocked. - * - * This must be called with the caller "holding" the page, - * ie with increased "page->count" so that the page won't - * go away during the wait.. - */ -static inline void wait_on_page_locked(struct page *page) - -// http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/pagemap.h?v=4.7#L504 -/* - * Wait for a page to complete writeback - */ -static inline void wait_on_page_writeback(struct page *page) -``` - -假定内核的一部分在等待一个被锁定的页面, 直至页面被解锁. wait_on_page_locked提供了该功能. 在页面被锁定的情况下, 调用该函数, 内核将进入睡眠. 而在页面解锁后, 睡眠进程会被自动唤醒并继续工作 - -wait_on_page_writeback的工作方式类似, 该函数会等待与页面相关的所有待决回写操作结束, 将页面包含的数据同步到块设备为止. - - - + 服务器体系与共享存储器架构 +======= + +| 日期 | 内核版本 | 架构| 作者 | GitHub| CSDN | +| ------- |:-------:|:-------:|:-------:|:-------:|:-------:| +| 2016-06-14 | [Linux-4.7](http://lxr.free-electrons.com/source/?v=4.7) | X86 & arm | [gatieme](http://blog.csdn.net/gatieme) | [LinuxDeviceDrivers](https://github.com/gatieme/LDD-LinuxDeviceDrivers) | [Linux内存管理](http://blog.csdn.net/gatieme/article/category/6225543) | + + + + +#1 前景回顾 +------- + +#1.1 UMA和NUMA两种模型 +------- + +共享存储型多处理机有两种模型 + +* 均匀存储器存取（Uniform-Memory-Access，简称UMA）模型 + + +* 非均匀存储器存取（Nonuniform-Memory-Access，简称NUMA）模型 + +#1.2 (N)UMA模型中linux内存的机构 +------- + +非一致存储器访问(NUMA)模式下 + +* 处理器被划分成多个"节点"(node), 每个节点被分配有的本地存储器空间. 所有节点中的处理器都可以访问全部的系统物理存储器，但是访问本节点内的存储器所需要的时间，比访问某些远程节点内的存储器所花的时间要少得多 + + +* 内存被分割成多个区域（BANK，也叫"簇"），依据簇与处理器的"距离"不同, 访问不同簇的代码也会不同. + + +##1.3 Linux如何描述物理内存 +------- + +Linux把物理内存划分为三个层次来管理 + +| 层次 | 描述 | +|:----:|:----:| +| 存储节点(Node) | CPU被划分为多个节点(node), 内存则被分簇, 每个CPU对应一个本地物理内存, 即一个CPU-node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点 | +| 管理区(Zone) | 每个物理内存节点node被划分为多个内存管理区域, 用于表示不同范围的内存, 内核可以使用不同的映射方式映射物理内存 | +| 页面(Page) | 内存被细分为多个页面帧, 页面是最基本的页面分配的单位　｜ + + +* 首先内存被划分为结点. 内存中的每个节点都是由pg_data_t描述,而pg_data_t由struct pglist_data定义而来, 该数据结构定义在[include/linux/mmzone.h, line 615](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mmzone.h#L615), 每个结点关联到系统中的一个处理器, 内核中表示为`pg_data_t`的实例. 系统中每个节点被链接到一个以NULL结尾的`pgdat_list`链表中<而其中的每个节点利用`pg_data_tnode_next`字段链接到下一节．而对于PC这种UMA结构的机器来说, 只使用了一个成为contig_page_data的静态pg_data_t结构. + +* 接着各个节点又被划分为内存管理区域, 一个管理区域通过struct zone_struct描述, 其被定义为zone_t, 用以表示内存的某个范围, 低端范围的16MB被描述为ZONE_DMA, 某些工业标准体系结构中的(ISA)设备需要用到它, 然后是可直接映射到内核的普通内存域ZONE_NORMAL,最后是超出了内核段的物理地址域ZONE_HIGHMEM, 被称为高端内存.　是系统中预留的可用内存空间, 不能被内核直接映射. + +* 最后页帧(page frame)代表了系统内存的最小单位, 堆内存中的每个页都会创建一个struct page的一个实例. 传统上，把内存视为连续的字节，即内存为字节数组，内存单元的编号(地址)可作为字节数组的索引. 分页管理时，将若干字节视为一页，比如4K byte. 此时，内存变成了连续的页，即内存为页数组，每一页物理内存叫页帧，以页为单位对内存进行编号，该编号可作为页数组的索引，又称为页帧号. + + +##1.4 今日内容(页帧struct page) +------- + +分页单元可以实现把线性地址转换为物理地址, 为了效率起见, 线性地址被分为固定长度为单位的组, 称为"页", 页内部的线性地址被映射到连续的物理地址. 这样内核可以指定一个页的物理地址和其存储权限, 而不用指定页所包含的全部线性地址的存储权限. +分页单元把所有RAM分为固定长度的页帧(也叫页框, 物理页, 英文page frame). 每一个页帧包含一个页(page). 也就是说一个页帧的长度与一个页的长度一致. 页框是主存的一部分, 因此也是一个存储区域. 简单来说, 页是一个数据块, 可以存放在任何页框(内存中)或者磁盘(被交换至交换分区)中 + +我们今天就来详细讲解一下linux下物理页帧的描述 + +#2 页帧 +------- + +内核把物理页作为内存管理的基本单位. 尽管处理器的最小可寻址单位通常是字, 但是, 内存管理单元MMU通常以页为单位进行处理. 因此，从虚拟内存的上来看，页就是最小单位. + +页帧代表了系统内存的最小单位, 对内存中的每个页都会创建struct page的一个实例. 内核必须要保证page结构体足够的小，否则仅struct page就要占用大量的内存. + +因为即使在中等程序的内存配置下, 系统的内存同样会分解为大量的页. 例如, IA-32系统中标准页长度为4KB, 在内存大小为384MB时, 大约有100000页. 就当今的标准而言, 这个容量算不上很大, 但页的数目已经非常可观了 + +因而出于节省内存的考虑，内核要尽力保持struct page尽可能的小. 在典型的系统中, 由于页的数目巨大, 因此对page结构的小改动, 也可能导致保存所有page实例所需的物理内存暴涨. + +页的广泛使用, 增加了保持结构长度的难度 : 内存管理的许多部分都使用页, 用于各种不同的用途. 内核的一部分可能完全依赖于struct page提供的特定信息, 而这部分信息堆内核的其他部分页可能是完全无用的. 等等. + + +##2.1 struct page结构 +------- + + 内核用[struct page(include/linux/mm_types.h?v=4.7, line 45)](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mm_types.h?v4.7#L45)结构表示系统中的每个物理页. + +出于节省内存的考虑，struct page中使用了大量的联合体union. + +```cpp +/* + * Each physical page in the system has a struct page associated with + * it to keep track of whatever it is we are using the page for at the + * moment. Note that we have no way to track which tasks are using + * a page, though if it is a pagecache page, rmap structures can tell us + * who is mapping it. + * + * The objects in struct page are organized in double word blocks in + * order to allows us to use atomic double word operations on portions + * of struct page. That is currently only used by slub but the arrangement + * allows the use of atomic double word operations on the flags/mapping + * and lru list pointers also. + */ +struct page { + /* First double word block */ + unsigned long flags; /* Atomic flags, some possibly updated asynchronously + 描述page的状态和其他信息 */ + union + { + struct address_space *mapping; /* If low bit clear, points to + * inode address_space, or NULL. + * If page mapped as anonymous + * memory, low bit is set, and + * it points to anon_vma object: + * see PAGE_MAPPING_ANON below. + */ + void *s_mem; /* slab first object */ + atomic_t compound_mapcount; /* first tail page */ + /* page_deferred_list().next -- second tail page */ + }; + + /* Second double word */ + struct { + union { + pgoff_t index; /* Our offset within mapping. + 在映射的虚拟空间（vma_area）内的偏移； + 一个文件可能只映射一部分，假设映射了1M的空间， + index指的是在1M空间内的偏移，而不是在整个文件内的偏移。 */ + void *freelist; /* sl[aou]b first free object */ + /* page_deferred_list().prev -- second tail page */ + }; + + union { +#if defined(CONFIG_HAVE_CMPXCHG_DOUBLE) && \ + defined(CONFIG_HAVE_ALIGNED_STRUCT_PAGE) + /* Used for cmpxchg_double in slub */ + unsigned long counters; +#else + /* + * Keep _refcount separate from slub cmpxchg_double + * data. As the rest of the double word is protected by + * slab_lock but _refcount is not. + */ + unsigned counters; +#endif + + struct { + + union { + /* + * Count of ptes mapped in mms, to show + * when page is mapped & limit reverse + * map searches. + * 页映射计数器 + */ + atomic_t _mapcount; + + struct { /* SLUB */ + unsigned inuse:16; + unsigned objects:15; + unsigned frozen:1; + }; + int units; /* SLOB */ + }; + /* + * Usage count, *USE WRAPPER FUNCTION* + * when manual accounting. See page_ref.h + * 页引用计数器 + */ + atomic_t _refcount; + }; + unsigned int active; /* SLAB */ + }; + }; + + /* + * Third double word block + * + * WARNING: bit 0 of the first word encode PageTail(). That means + * the rest users of the storage space MUST NOT use the bit to + * avoid collision and false-positive PageTail(). + */ + union { + struct list_head lru; /* Pageout list, eg. active_list + * protected by zone->lru_lock ! + * Can be used as a generic list + * by the page owner. + */ + struct dev_pagemap *pgmap; /* ZONE_DEVICE pages are never on an + * lru or handled by a slab + * allocator, this points to the + * hosting device page map. + */ + struct { /* slub per cpu partial pages */ + struct page *next; /* Next partial slab */ +#ifdef CONFIG_64BIT + int pages; /* Nr of partial slabs left */ + int pobjects; /* Approximate # of objects */ +#else + short int pages; + short int pobjects; +#endif + }; + + struct rcu_head rcu_head; /* Used by SLAB + * when destroying via RCU + */ + /* Tail pages of compound page */ + struct { + unsigned long compound_head; /* If bit zero is set */ + + /* First tail page only */ +#ifdef CONFIG_64BIT + /* + * On 64 bit system we have enough space in struct page + * to encode compound_dtor and compound_order with + * unsigned int. It can help compiler generate better or + * smaller code on some archtectures. + */ + unsigned int compound_dtor; + unsigned int compound_order; +#else + unsigned short int compound_dtor; + unsigned short int compound_order; +#endif + }; + +#if defined(CONFIG_TRANSPARENT_HUGEPAGE) && USE_SPLIT_PMD_PTLOCKS + struct { + unsigned long __pad; /* do not overlay pmd_huge_pte + * with compound_head to avoid + * possible bit 0 collision. + */ + pgtable_t pmd_huge_pte; /* protected by page->ptl */ + }; +#endif + }; + + /* Remainder is not double word aligned */ + union { + unsigned long private; /* Mapping-private opaque data: + * usually used for buffer_heads + * if PagePrivate set; used for + * swp_entry_t if PageSwapCache; + * indicates order in the buddy + * system if PG_buddy is set. + * 私有数据指针，由应用场景确定其具体的含义 + */ +#if USE_SPLIT_PTE_PTLOCKS +#if ALLOC_SPLIT_PTLOCKS + spinlock_t *ptl; +#else + spinlock_t ptl; +#endif +#endif + struct kmem_cache *slab_cache; /* SL[AU]B: Pointer to slab */ + }; + +#ifdef CONFIG_MEMCG + struct mem_cgroup *mem_cgroup; +#endif + + /* + * On machines where all RAM is mapped into kernel address space, + * we can simply calculate the virtual address. On machines with + * highmem some memory is mapped into kernel virtual memory + * dynamically, so we need a place to store that address. + * Note that this field could be 16 bits on x86 ... ;) + * + * Architectures with slow multiplication can define + * WANT_PAGE_VIRTUAL in asm/page.h + */ +#if defined(WANT_PAGE_VIRTUAL) + void *virtual; /* Kernel virtual address (NULL if + not kmapped, ie. highmem) */ +#endif /* WANT_PAGE_VIRTUAL */ + +#ifdef CONFIG_KMEMCHECK + /* + * kmemcheck wants to track the status of each byte in a page; this + * is a pointer to such a status block. NULL if not tracked. + */ + void *shadow; +#endif + +#ifdef LAST_CPUPID_NOT_IN_PAGE_FLAGS + int _last_cpupid; +#endif +} +/* + * The struct page can be forced to be double word aligned so that atomic ops + * on double words work. The SLUB allocator can make use of such a feature. + */ +#ifdef CONFIG_HAVE_ALIGNED_STRUCT_PAGE + __aligned(2 * sizeof(unsigned long)) +#endif +; +``` + +| 字段 | 描述 | +|:---:|:----:| +| flag | 用来存放页的状态，每一位代表一种状态，所以至少可以同时表示出32中不同的状态,这些状态定义在linux/page-flags.h中 | +| virtual | 对于如果物理内存可以直接映射内核的系统, 我们可以之间映射出虚拟地址与物理地址的管理, 但是对于需要使用高端内存区域的页, 即无法直接映射到内核的虚拟地址空间, 因此需要用virtual保存该页的虚拟地址 | +| _refcount | 引用计数，表示内核中引用该page的次数, 如果要操作该page, 引用计数会+1, 操作完成-1. 当该值为0时, 表示没有引用该page的位置，所以该page可以被解除映射，这往往在内存回收时是有用的 | +| _mapcount | 被页表映射的次数，也就是说该page同时被多少个进程共享。初始值为-1，如果只被一个进程的页表映射了，该值为0. 如果该page处于伙伴系统中，该值为PAGE_BUDDY_MAPCOUNT_VALUE（-128），内核通过判断该值是否为PAGE_BUDDY_MAPCOUNT_VALUE来确定该page是否属于伙伴系统 | +| index | 在映射的虚拟空间（vma_area）内的偏移；一个文件可能只映射一部分，假设映射了1M的空间，index指的是在1M空间内的偏移，而不是在整个文件内的偏移 | +| private | 私有数据指针，由应用场景确定其具体的含义 | +| lru |链表头，用于在各种链表上维护该页, 以便于按页将不同类别分组, 主要有3个用途: 伙伴算法, slab分配器, 被用户态使用或被当做页缓存使用 | +| mapping | 指向与该页相关的address_space对象 | +| index | 页帧在映射内部的偏移量 + +>注意区分_count和_mapcount，_mapcount表示的是映射次数，而_count表示的是使用次数；被映射了不一定在使用，但要使用必须先映射。 + + + + + +##2.2 mapping & index +------- + + +mapping指定了页帧所在的地址空间, index是页帧在映射内部的偏移量. 地址空间是一个非常一般的概念. 例如, 可以用在向内存读取文件时. 地址空间用于将文件的内容与装载数据的内存区关联起来. mapping不仅能够保存一个指针, 而且还能包含一些额外的信息, 用于判断页是否属于未关联到地址空间的某个匿名内存区. + + +1. 如果mapping = 0，说明该page属于交换高速缓存页（swap cache）；当需要使用地址空间时会指定交换分区的地址空间swapper_space。 + +2. 如果mapping != 0，第0位bit[0] = 0，说明该page属于页缓存或文件映射，mapping指向文件的地址空间address_space。 + +3. 如果mapping != 0，第0位bit[0] != 0，说明该page为匿名映射，mapping指向struct anon_vma对象。 + + +通过mapping恢复anon_vma的方法：anon_vma = (struct anon_vma *)(mapping - PAGE_MAPPING_ANON)。 + + + +pgoff_t index是该页描述结构在地址空间radix树page_tree中的对象索引号即页号, 表示该页在vm_file中的偏移页数, 其类型pgoff_t被定义为unsigned long即一个机器字长. + + +```cpp +/* + * The type of an index into the pagecache. + */ +#define pgoff_t unsigned long +``` + +##2.3 private私有数据指针 +------- + +private私有数据指针, 由应用场景确定其具体的含义： + + +1. 如果设置了PG_private标志，则private字段指向struct buffer_head + +2. 如果设置了PG_compound，则指向struct page + + +3. 如果设置了PG_swapcache标志，private存储了该page在交换分区中对应的位置信息swp_entry_t。 + +4. 如果_mapcount = PAGE_BUDDY_MAPCOUNT_VALUE，说明该page位于伙伴系统，private存储该伙伴的阶 + + + +##2.4 lru链表头 +------- + +最近、最久未使用struct slab结构指针变量 + +lru：链表头，主要有3个用途： + +1. 则page处于伙伴系统中时，用于链接相同阶的伙伴（只使用伙伴中的第一个page的lru即可达到目的）。 + +2. 设置PG_slab, 则page属于slab，page->lru.next指向page驻留的的缓存的管理结构，page->lru.prec指向保存该page的slab的管理结构。 + +3. page被用户态使用或被当做页缓存使用时，用于将该page连入zone中相应的lru链表，供内存回收时使用。 + + + + +#3 体系结构无关的页面的状态flags +------- + +页的不同属性通过一系列页标志描述, 存储在struct page的flag成员中的各个比特位. + +```cpp +struct page { + /* First double word block */ + unsigned long flags; /* Atomic flags, + some possibly updated asynchronously, 描述page的状态和其他信息 */ +``` + + + +这些标识是独立于体系结构的, 因而无法通过特定于CPU或计算机的信息(该信息保存在页表中) + + + + +##3.1 页面到管理区和节点的映射 +------- + + +在**早期的linux-2.4.18的内核**中, [struct page存储有一个指向对应管理区的指针page->zone](http://lxr.linux.no/linux-old+v2.4.18/include/linux/mm.h#L167), 但是该这hi真在吼吼被认为是一种浪费, 因为如果有成千上万的这样的struct page存在, 那么即使是很小的指针也会消耗大量的内存空间. + +因此在**后来linux-2.4.x的更新**中, 删除了这个字段, 取而代之的是page->flags的最高[ZONE_SHIFT位](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mm.h?v=2.4.37#L340)和NODE_SHIFT位, 存储了其所在zone和node在内存区域表zone_table的编号索引. + + + +那么内核在初始化内存管理区时, 首先建立管理区表zone_table. 参见[mm/page_alloc.c?v=2.4.37, line 38](http://lxr.free-electrons.com/source/mm/page_alloc.c?v=2.4.37#L38) + +```cpp +/* + * + * The zone_table array is used to look up the address of the + * struct zone corresponding to a given zone number (ZONE_DMA, + * ZONE_NORMAL, or ZONE_HIGHMEM). + */ +zone_t *zone_table[MAX_NR_ZONES*MAX_NR_NODES]; +EXPORT_SYMBOL(zone_table); +``` + + +MAX_NR_ZONES是一个节点中所能包容纳的管理区的最大数, 如3个, 定义在[include/linux/mmzone.h?v=2.4.37, line 25](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mmzone.h?v=2.4.37#L25), 与zone区域的类型(ZONE_DMA, ZONE_NORMAL, ZONE_HIGHMEM)定义在一起. 当然这时候我们这些标识都是通过宏的方式来实现的, 而不是如今的枚举类型 + + +MAX_NR_NODES是可以存在的节点的最大数. + +函数EXPORT_SYMBOL使得内核的变量或者函数可以被载入的模块(比如我们的驱动模块)所访问. + +该表处理起来就像一个多维数组, 在函数free_area_init_core中, 一个节点的所有页面都会被初始化. + +内核提供了page_zone通过页面查找其对应的内存区域zone_t, 页提供了set_page_zone接口, 而查找到了zone后, 可以通过 其`struct pglist_data *zone_pgdat`直接获取其所在node信息 + +```cpp +/* + * The zone field is never updated after free_area_init_core() + * sets it, so none of the operations on it need to be atomic. + */ +#define NODE_SHIFT 4 +#define ZONE_SHIFT (BITS_PER_LONG - 8) + +struct zone_struct; +extern struct zone_struct *zone_table[]; + +static inline zone_t *page_zone(struct page *page) +{ + return zone_table[page->flags >> ZONE_SHIFT]; +} + +static inline void set_page_zone(struct page *page, unsigned long zone_num) +{ + page->flags &= ~(~0UL << ZONE_SHIFT); + page->flags |= zone_num << ZONE_SHIFT; +} +``` + +而**后来的内核(至今linux-4.7)**中, 这些必要的标识(ZONE_DMA等)都是通过枚举类型实现的(ZONE_DMA等用enum zone_type定义), 然后zone_table也被移除, 参照[[PATCH] zone table removal miss merge](https://lkml.org/lkml/2006/9/27/112) + +因此内核提供了新的思路, 参见[include/linux/mm.h?v4.7, line 907](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mm.h?v4.7#L907) + + +```cpp +static inline struct zone *page_zone(const struct page *page) +{ + return &NODE_DATA(page_to_nid(page))->node_zones[page_zonenum(page)]; +} + +static inline void set_page_zone(struct page *page, enum zone_type zone) +{ + page->flags &= ~(ZONES_MASK << ZONES_PGSHIFT); + page->flags |= (zone & ZONES_MASK) << ZONES_PGSHIFT; +} + +static inline void set_page_node(struct page *page, unsigned long node) +{ + page->flags &= ~(NODES_MASK << NODES_PGSHIFT); + page->flags |= (node & NODES_MASK) << NODES_PGSHIFT; +} +``` + + +其中NODE_DATA使用了全局的node表进行索引. + +在UMA结构的机器中, 只有一个node结点即contig_page_data, 此时NODE_DATA直接指向了全局的contig_page_data, 而与node的编号nid无关, 参照[include/linux/mmzone.h?v=4.7, line 858](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mmzone.h?v=4.7#L858), 其中全局唯一的cnode结点ontig_page_data定义在[mm/nobootmem.c?v=4.7, line 27](http://lxr.free-electrons.com/source/mm/nobootmem.c?v=4.7#L27) + + +```cpp +#ifndef CONFIG_NEED_MULTIPLE_NODES +extern struct pglist_data contig_page_data; +#define NODE_DATA(nid) (&contig_page_data) +#define NODE_MEM_MAP(nid) mem_map +else +/* ...... */ +#endif +``` + +而对于NUMA结构的系统中, 所有的node都存储在node_data数组中, +NODE_DATA直接通过node编号索引即可, 参见[NODE_DATA的定义](http://lxr.free-electrons.com/ident?v=4.7;i=NODE_DATA) + +```cpp +extern struct pglist_data *node_data[]; +#define NODE_DATA(nid) (node_data[(nid)]) +``` + + +那么page的flags标识主要分为4部分，其中标志位flag向高位增长, 其余位字段向低位增长，中间存在空闲位 + +| 字段 | 描述 | +|:----:|:---:| +| section | 主要用于稀疏内存模型SPARSEMEM，可忽略 | +| node | NUMA节点号, 标识该page属于哪一个节点 | +| zone | 内存域标志，标识该page属于哪一个zone | +| flag | page的状态标识 | + + +如下图所示 + +![page的flags标识](./images/flags.png) + + +##3.2 内存页标识pageflags +------- + + +其中最后一个flag用于标识page的状态, 这些状态由枚举常量[`enum pageflags`](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/page-flags.h?v=4.7#L74)定义, 定义在[include/linux/page-flags.h?v=4.7, line 74](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/page-flags.h?v=4.7#L74). 常用的有如下状态 + + + + + + + +```cpp +enum pageflags { + PG_locked, /* Page is locked. Don't touch. */ + PG_error, + PG_referenced, + PG_uptodate, + PG_dirty, + PG_lru, + PG_active, + PG_slab, + PG_owner_priv_1, /* Owner use. If pagecache, fs may use*/ + PG_arch_1, + PG_reserved, + PG_private, /* If pagecache, has fs-private data */ + PG_private_2, /* If pagecache, has fs aux data */ + PG_writeback, /* Page is under writeback */ + PG_head, /* A head page */ + PG_swapcache, /* Swap page: swp_entry_t in private */ + PG_mappedtodisk, /* Has blocks allocated on-disk */ + PG_reclaim, /* To be reclaimed asap */ + PG_swapbacked, /* Page is backed by RAM/swap */ + PG_unevictable, /* Page is "unevictable" */ +#ifdef CONFIG_MMU + PG_mlocked, /* Page is vma mlocked */ +#endif +#ifdef CONFIG_ARCH_USES_PG_UNCACHED + PG_uncached, /* Page has been mapped as uncached */ +#endif +#ifdef CONFIG_MEMORY_FAILURE + PG_hwpoison, /* hardware poisoned page. Don't touch */ +#endif +#if defined(CONFIG_IDLE_PAGE_TRACKING) && defined(CONFIG_64BIT) + PG_young, + PG_idle, +#endif + __NR_PAGEFLAGS, + + /* Filesystems */ + PG_checked = PG_owner_priv_1, + + /* Two page bits are conscripted by FS-Cache to maintain local caching + * state. These bits are set on pages belonging to the netfs's inodes + * when those inodes are being locally cached. + */ + PG_fscache = PG_private_2, /* page backed by cache */ + + /* XEN */ + /* Pinned in Xen as a read-only pagetable page. */ + PG_pinned = PG_owner_priv_1, + /* Pinned as part of domain save (see xen_mm_pin_all()). */ + PG_savepinned = PG_dirty, + /* Has a grant mapping of another (foreign) domain's page. */ + PG_foreign = PG_owner_priv_1, + + /* SLOB */ + PG_slob_free = PG_private, + + /* Compound pages. Stored in first tail page's flags */ + PG_double_map = PG_private_2, +}; +``` + + +| 页面状态 | 描述 | +|:-------:|:----:| +| PG_locked | 指定了页是否被锁定, 如果该比特未被置位, 说明有使用者正在操作该page, 则内核的其他部分不允许访问该页， 这可以防止内存管理出现竞态条件 | +| PG_error | 如果涉及该page的I/O操作发生了错误, 则该位被设置 | +| PG_referenced | 表示page刚刚被访问过 | +| PG_uptodate | 表示page的数据已经与后备存储器是同步的, 即页的数据已经从块设备读取，且没有出错,数据是最新的 | +| PG_dirty | 与后备存储器中的数据相比，该page的内容已经被修改. 出于性能能的考虑，页并不在每次改变后立即回写, 因此内核需要使用该标识来表明页面中的数据已经改变, 应该在稍后刷出 | +| PG_lru | 表示该page处于LRU链表上， 这有助于实现页面的回收和切换. 内核使用两个最近最少使用(least recently used-LRU)链表来区别活动和不活动页. 如果页在其中一个链表中, 则该位被设置 | +| PG_active | page处于inactive LRU链表, PG_active和PG_referenced一起控制该page的活跃程度，这在内存回收时将会非常有用
当位于LRU active_list链表上的页面该位被设置, 并在页面移除时清除该位, 它标记了页面是否处于活动状态 | +| PG_slab | 该page属于slab分配器 | +| PG_onwer_priv_1 | | +| PG_arch_1 | 直接从代码中引用, PG_arch_1是一个体系结构相关的页面状态位, 一般的代码保证了在第一次禁图页面高速缓存时, 该位被清除. 这使得体系结构可以延迟到页面被某个进程映射后， 才可以D-Cache刷盘 | +| PG_reserved | 设置该标志，防止该page被交换到swap | +| PG_private | 如果page中的private成员非空，则需要设置该标志, 用于I/O的页可使用该字段将页细分为多核缓冲区 | +| PG_private_2 | | +| PG_writeback | page中的数据正在被回写到后备存储器 | +| PG_head | | +| PG_swapcache | 表示该page处于swap cache中 | +| PG_mappedtodisk | 表示page中的数据在后备存储器中有对应 | +| PG_reclaim | 表示该page要被回收。当PFRA决定要回收某个page后，需要设置该标志 | +| PG_swapbacked | 该page的后备存储器是swap | +| PG_unevictable | 该page被锁住，不能交换，并会出现在LRU_UNEVICTABLE链表中，它包括的几种page：ramdisk或ramfs使用的页, shm_locked、mlock锁定的页 | +| PG_mlocked | 该page在vma中被锁定，一般是通过系统调用mlock()锁定了一段内存 | +| PG_uncached | | +| PG_hwpoison | | +| PG_young | | +| PG_idle | | + + + +内核中提供了一些标准宏，用来检查、操作某些特定的比特位，这些宏定义在[include/linux/page-flags.h?v=4.7, line 183](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/page-flags.h?v=4.7#L183) + + +```c +#define TESTPAGEFLAG(uname, lname, policy) +#define SETPAGEFLAG(uname, lname, policy) +#define CLEARPAGEFLAG(uname, lname, policy) +``` + +**关于page flags的早期实现** + + +* linux-2.6以后的内核中, 很少出现直接用宏定义的标识, 这些标识大多通过enum枚举常量来定义, 然后__NR_XXXX的形式结束, 正好可以标记出宏参数的个数, 但是在早期的实现中, 这些变量都通过宏来标识 + +例如我们的page->flags用enum pageflags来定义, 内存管理区类型通过zone_type来定义, 但是这些内容在早期的内核中都是通过宏定义来实现的. + +* 其次标识的函数接口也变了, 早期的内核中, 针对每个宏标识都设置了一组test/set/clear, 参见[/include/linux/mm.h?v=2.4.37, line 324](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mm.h?v=2.4.37#L324) + +形式如下 + +```cpp +PageXXX(page)：检查page是否设置了PG_XXX位 +SetPageXXX(page)：设置page的PG_XXX位 +ClearPageXXX(page)：清除page的PG_XXX位 +TestSetPageXXX(page)：设置page的PG_XXX位，并返回原值 +TestClearPageXXX(page)：清除page的PG_XXX位，并返回原值 +``` + + +很多情况下, 需要等待页的状态改变, 然后才能恢复工作. 因此内核提供了两个辅助函数 + +```cpp +http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/pagemap.h?v=4.7#L495 +/* + * Wait for a page to be unlocked. + * + * This must be called with the caller "holding" the page, + * ie with increased "page->count" so that the page won't + * go away during the wait.. + */ +static inline void wait_on_page_locked(struct page *page) + +// http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/pagemap.h?v=4.7#L504 +/* + * Wait for a page to complete writeback + */ +static inline void wait_on_page_writeback(struct page *page) +``` + +假定内核的一部分在等待一个被锁定的页面, 直至页面被解锁. wait_on_page_locked提供了该功能. 在页面被锁定的情况下, 调用该函数, 内核将进入睡眠. 而在页面解锁后, 睡眠进程会被自动唤醒并继续工作 + +wait_on_page_writeback的工作方式类似, 该函数会等待与页面相关的所有待决回写操作结束, 将页面包含的数据同步到块设备为止. + + + +#4 全局页面数组mem_map +------- + +`mem_map`是一个struct page的数组，管理着系统中所有的物理内存页面。在系统启动的过程中，创建和分配mem_map的内存区域, mem_map定义在[mm/page_alloc.c?v=4.7, line 6691](http://lxr.free-electrons.com/source/mm/page_alloc.c?v=4.7#L6691) + + + +```cpp +#ifndef CONFIG_NEED_MULTIPLE_NODES +/* use the per-pgdat data instead for discontigmem - mbligh */ +unsigned long max_mapnr; +struct page *mem_map; + +EXPORT_SYMBOL(max_mapnr); +EXPORT_SYMBOL(mem_map); +#endif +``` + + +UMA体系结构中，free_area_init函数在系统唯一的struct node对象contig_page_data中node_mem_map成员赋值给全局的mem_map变量 + + + diff --git a/study/kernel/02-memory/03-initialize/00-initialize/README.md b/study/kernel/02-memory/03-initialize/00-initialize/README.md new file mode 100644 index 0000000..ad47a41 --- /dev/null +++ b/study/kernel/02-memory/03-initialize/00-initialize/README.md @@ -0,0 +1,138 @@ +初始化内存管理 +======= + + + +| 日期 | 内核版本 | 架构| 作者 | GitHub| CSDN | +| ------- |:-------:|:-------:|:-------:|:-------:|:-------:| +| 2016-06-14 | [Linux-4.7](http://lxr.free-electrons.com/source/?v=4.7) | X86 & arm | [gatieme](http://blog.csdn.net/gatieme) | [LinuxDeviceDrivers](https://github.com/gatieme/LDD-LinuxDeviceDrivers) | [Linux内存管理](http://blog.csdn.net/gatieme/article/category/6225543) | + + + + +在内存管理的上下文中, 初始化(initialization)可以有多种含义. 在许多CPU上, 必须显式设置适用于Linux内核的内存模型. 例如在x86_32上需要切换到保护模式, 然后奇偶内核才能检测到可用内存和寄存器. + + + +#1 前景回顾 +------- + + +##1.1 Linux内存管理的层次结构 +------- + + +Linux把物理内存划分为三个层次来管理 + +| 层次 | 描述 | +|:----:|:----:| +| 存储节点(Node) | CPU被划分为多个节点(node), 内存则被分簇, 每个CPU对应一个本地物理内存, 即一个CPU-node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点 | +| 管理区(Zone) | 每个物理内存节点node被划分为多个内存管理区域, 用于表示不同范围的内存, 内核可以使用不同的映射方式映射物理内存 | +| 页面(Page) | 内存被细分为多个页面帧, 页面是最基本的页面分配的单位　｜ + +为了支持NUMA模型，也即CPU对不同内存单元的访问时间可能不同，此时系统的物理内存被划分为几个节点(node), 一个node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点 + + +* 首先, 内存被划分为**结点**. 每个节点关联到系统中的一个处理器, 内核中表示为`pg_data_t`的实例. 系统中每个节点被链接到一个以NULL结尾的`pgdat_list`链表中<而其中的每个节点利用`pg_data_tnode_next`字段链接到下一节．而对于PC这种UMA结构的机器来说, 只使用了一个成为contig_page_data的静态pg_data_t结构. + +* 接着各个节点又被划分为内存管理区域, 一个**管理区域**通过struct zone_struct描述, 其被定义为zone_t, 用以表示内存的某个范围, 低端范围的16MB被描述为ZONE_DMA, 某些工业标准体系结构中的(ISA)设备需要用到它, 然后是可直接映射到内核的普通内存域ZONE_NORMAL,最后是超出了内核段的物理地址域ZONE_HIGHMEM, 被称为高端内存.　是系统中预留的可用内存空间, 不能被内核直接映射. + + +* 最后**页帧(page frame)**代表了系统内存的最小单位, 堆内存中的每个页都会创建一个struct page的一个实例. 传统上，把内存视为连续的字节，即内存为字节数组，内存单元的编号(地址)可作为字节数组的索引. 分页管理时，将若干字节视为一页，比如4K byte. 此时，内存变成了连续的页，即内存为页数组，每一页物理内存叫页帧，以页为单位对内存进行编号，该编号可作为页数组的索引，又称为页帧号. + + +##1.2 内存结点pg_data_t +------- + +在LINUX中引入一个数据结构`struct pglist_data` ，来描述一个node，定义在[`include/linux/mmzone.h`](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mmzone.h#L630) 文件中。（这个结构被typedef pg_data_t）。 + + +* 对于NUMA系统来讲， 整个系统的内存由一个[node_data](http://lxr.free-electrons.com/source/arch/s390/numa/numa.c?v=4.7#L23)的pg_data_t指针数组来管理, + +* 对于PC这样的UMA系统，使用struct pglist_data contig_page_data ，作为系统唯一的node管理所有的内存区域。（UMA系统中中只有一个node） + +可以使用NODE_DATA(node_id)来查找系统中编号为node_id的结点, 而UMA结构下由于只有一个结点, 因此该宏总是返回全局的contig_page_data, 而与参数node_id无关. + + +##1.2 物理内存区域 +------- + +因为实际的计算机体系结构有硬件的诸多限制, 这限制了页框可以使用的方式. 尤其是, Linux内核必须处理80x86体系结构的两种硬件约束. + +* ISA总线的直接内存存储DMA处理器有一个严格的限制 : 他们只能对RAM的前16MB进行寻址 + +* 在具有大容量RAM的现代32位计算机中, CPU不能直接访问所有的物理地址, 因为线性地址空间太小, 内核不可能直接映射所有物理内存到线性地址空间, 我们会在后面典型架构(x86)上内存区域划分详细讲解x86_32上的内存区域划分 + + +因此Linux内核对不同区域的内存需要采用不同的管理方式和映射方式, 因此内核将物理地址或者成用zone_t表示的不同地址区域, + +对于x86_32的机器，管理区(内存区域)类型如下分布 + + +| 类型 | 区域 | +| :------- | ----: | +| ZONE_DMA | 0~15MB | +| ZONE_NORMAL | 16MB~895MB | +| ZONE_HIGHMEM | 896MB~物理内存结束 | + + +##1.3 物理页帧 +------- + +内核把物理页作为内存管理的基本单位. 尽管处理器的最小可寻址单位通常是字, 但是, 内存管理单元MMU通常以页为单位进行处理. 因此，从虚拟内存的上来看，页就是最小单位. + +页帧代表了系统内存的最小单位, 对内存中的每个页都会创建struct page的一个实例. 内核必须要保证page结构体足够的小，否则仅struct page就要占用大量的内存. + + + 内核用[struct page(include/linux/mm_types.h?v=4.7, line 45)](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mm_types.h?v4.7#L45)结构表示系统中的每个物理页. + +出于节省内存的考虑，struct page中使用了大量的联合体union. + + +`mem_map`是一个struct page的数组，管理着系统中所有的物理内存页面。在系统启动的过程中，创建和分配mem_map的内存区域, mem_map定义在[mm/page_alloc.c?v=4.7, line 6691](http://lxr.free-electrons.com/source/mm/page_alloc.c?v=4.7#L6691) + + +UMA体系结构中，free_area_init函数在系统唯一的struct node对象contig_page_data中node_mem_map成员赋值给全局的mem_map变量 + + + +#1 启动过程中的内存初始化 +------- + +在初始化过程中, 还必须建立内存管理的数据结构, 以及很多事务. 因为内核在内存管理完全初始化之前就需要使用内存. 在系统启动过程期间, 使用了额外的简化悉尼股市的内存管理模块, 然后在初始化完成后, 将旧的模块丢弃掉. + + +#1 建立数据结构 +------- + + + +对相关数据结构的初始化是从全局启动函数start_kernel中开始的, 该函数在加载内核并激活各个子系统之后执行. 由于内存管理是内核一个非常重要的部分, 因此在特定体系结构的设置步骤中检测并确定系统中内存的分配情况后, 会立即执行内存管理的初始化. + + +##1.2 系统启动 +------- + +##1.3 节点和内存域的初始化 +------- + + +#2 特定于体系结构的设置 +------- + +##2.1 内核在内存中的布局 +------- + +##2.2 初始化过程 +------- + + +##2.3 分页机制初始化 +------- + +##2.4 注册活动内存区 +------- + +##2.5 系统的地址空间设置 +------- + diff --git a/study/kernel/02-memory/03-initialize/01-init_struct/README.md b/study/kernel/02-memory/03-initialize/01-init_struct/README.md index 4a3b920..ad47a41 100644 --- a/study/kernel/02-memory/03-initialize/01-init_struct/README.md +++ b/study/kernel/02-memory/03-initialize/01-init_struct/README.md @@ -1,62 +1,138 @@ -初始化内存管理 - -======= - - - - - -| 日期 | 内核版本 | 架构| 作者 | GitHub| CSDN | -| ------- |:-------:|:-------:|:-------:|:-------:|:-------:| -| 2016-06-14 | [Linux-4.7](http://lxr.free-electrons.com/source/?v=4.7) | X86 & arm | [gatieme](http://blog.csdn.net/gatieme) | [LinuxDeviceDrivers](https://github.com/gatieme/LDD-LinuxDeviceDrivers) | [Linux内存管理](http://blog.csdn.net/gatieme/article/category/6225543) | - - - - - - -在内存管理的上下文中, 初始化(initialization)可以有多种含义. 在许多CPU上, 必须显式设置适用于Linux内核的内存模型. 例如在x86_32上需要切换到保护模式, 然后奇偶内核才能检测到可用内存和寄存器. - -#1 启动过程中的内存初始化 -------- - -在初始化过程中, 还必须建立内存管理的数据结构, 以及很多事务. 因为内核在内存管理完全初始化之前就需要使用内存. 在系统启动过程期间, 使用了额外的简化悉尼股市的内存管理模块, 然后在初始化完成后, 将旧的模块丢弃掉. - - -#1 建立数据结构 -------- - - - -对相关数据结构的初始化是从全局启动函数start_kernel中开始的, 该函数在加载内核并激活各个子系统之后执行. 由于内存管理是内核一个非常重要的部分, 因此在特定体系结构的设置步骤中检测并确定系统中内存的分配情况后, 会立即执行内存管理的初始化. - -##1.1 先决条件 -------- - - -##1.2 系统启动 -------- - -##1.3 节点和内存域的初始化 -------- - - -#2 特定于体系结构的设置 -------- - -##2.1 内核在内存中的布局 -------- - -##2.2 初始化过程 -------- - - -##2.3 分页机制初始化 -------- - -##2.4 注册活动内存区 -------- - -##2.5 系统的地址空间设置 -------- - +初始化内存管理 +======= + + + +| 日期 | 内核版本 | 架构| 作者 | GitHub| CSDN | +| ------- |:-------:|:-------:|:-------:|:-------:|:-------:| +| 2016-06-14 | [Linux-4.7](http://lxr.free-electrons.com/source/?v=4.7) | X86 & arm | [gatieme](http://blog.csdn.net/gatieme) | [LinuxDeviceDrivers](https://github.com/gatieme/LDD-LinuxDeviceDrivers) | [Linux内存管理](http://blog.csdn.net/gatieme/article/category/6225543) | + + + + +在内存管理的上下文中, 初始化(initialization)可以有多种含义. 在许多CPU上, 必须显式设置适用于Linux内核的内存模型. 例如在x86_32上需要切换到保护模式, 然后奇偶内核才能检测到可用内存和寄存器. + + + +#1 前景回顾 +------- + + +##1.1 Linux内存管理的层次结构 +------- + + +Linux把物理内存划分为三个层次来管理 + +| 层次 | 描述 | +|:----:|:----:| +| 存储节点(Node) | CPU被划分为多个节点(node), 内存则被分簇, 每个CPU对应一个本地物理内存, 即一个CPU-node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点 | +| 管理区(Zone) | 每个物理内存节点node被划分为多个内存管理区域, 用于表示不同范围的内存, 内核可以使用不同的映射方式映射物理内存 | +| 页面(Page) | 内存被细分为多个页面帧, 页面是最基本的页面分配的单位　｜ + +为了支持NUMA模型，也即CPU对不同内存单元的访问时间可能不同，此时系统的物理内存被划分为几个节点(node), 一个node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点 + + +* 首先, 内存被划分为**结点**. 每个节点关联到系统中的一个处理器, 内核中表示为`pg_data_t`的实例. 系统中每个节点被链接到一个以NULL结尾的`pgdat_list`链表中<而其中的每个节点利用`pg_data_tnode_next`字段链接到下一节．而对于PC这种UMA结构的机器来说, 只使用了一个成为contig_page_data的静态pg_data_t结构. + +* 接着各个节点又被划分为内存管理区域, 一个**管理区域**通过struct zone_struct描述, 其被定义为zone_t, 用以表示内存的某个范围, 低端范围的16MB被描述为ZONE_DMA, 某些工业标准体系结构中的(ISA)设备需要用到它, 然后是可直接映射到内核的普通内存域ZONE_NORMAL,最后是超出了内核段的物理地址域ZONE_HIGHMEM, 被称为高端内存.　是系统中预留的可用内存空间, 不能被内核直接映射. + + +* 最后**页帧(page frame)**代表了系统内存的最小单位, 堆内存中的每个页都会创建一个struct page的一个实例. 传统上，把内存视为连续的字节，即内存为字节数组，内存单元的编号(地址)可作为字节数组的索引. 分页管理时，将若干字节视为一页，比如4K byte. 此时，内存变成了连续的页，即内存为页数组，每一页物理内存叫页帧，以页为单位对内存进行编号，该编号可作为页数组的索引，又称为页帧号. + + +##1.2 内存结点pg_data_t +------- + +在LINUX中引入一个数据结构`struct pglist_data` ，来描述一个node，定义在[`include/linux/mmzone.h`](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mmzone.h#L630) 文件中。（这个结构被typedef pg_data_t）。 + + +* 对于NUMA系统来讲， 整个系统的内存由一个[node_data](http://lxr.free-electrons.com/source/arch/s390/numa/numa.c?v=4.7#L23)的pg_data_t指针数组来管理, + +* 对于PC这样的UMA系统，使用struct pglist_data contig_page_data ，作为系统唯一的node管理所有的内存区域。（UMA系统中中只有一个node） + +可以使用NODE_DATA(node_id)来查找系统中编号为node_id的结点, 而UMA结构下由于只有一个结点, 因此该宏总是返回全局的contig_page_data, 而与参数node_id无关. + + +##1.2 物理内存区域 +------- + +因为实际的计算机体系结构有硬件的诸多限制, 这限制了页框可以使用的方式. 尤其是, Linux内核必须处理80x86体系结构的两种硬件约束. + +* ISA总线的直接内存存储DMA处理器有一个严格的限制 : 他们只能对RAM的前16MB进行寻址 + +* 在具有大容量RAM的现代32位计算机中, CPU不能直接访问所有的物理地址, 因为线性地址空间太小, 内核不可能直接映射所有物理内存到线性地址空间, 我们会在后面典型架构(x86)上内存区域划分详细讲解x86_32上的内存区域划分 + + +因此Linux内核对不同区域的内存需要采用不同的管理方式和映射方式, 因此内核将物理地址或者成用zone_t表示的不同地址区域, + +对于x86_32的机器，管理区(内存区域)类型如下分布 + + +| 类型 | 区域 | +| :------- | ----: | +| ZONE_DMA | 0~15MB | +| ZONE_NORMAL | 16MB~895MB | +| ZONE_HIGHMEM | 896MB~物理内存结束 | + + +##1.3 物理页帧 +------- + +内核把物理页作为内存管理的基本单位. 尽管处理器的最小可寻址单位通常是字, 但是, 内存管理单元MMU通常以页为单位进行处理. 因此，从虚拟内存的上来看，页就是最小单位. + +页帧代表了系统内存的最小单位, 对内存中的每个页都会创建struct page的一个实例. 内核必须要保证page结构体足够的小，否则仅struct page就要占用大量的内存. + + + 内核用[struct page(include/linux/mm_types.h?v=4.7, line 45)](http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mm_types.h?v4.7#L45)结构表示系统中的每个物理页. + +出于节省内存的考虑，struct page中使用了大量的联合体union. + + +`mem_map`是一个struct page的数组，管理着系统中所有的物理内存页面。在系统启动的过程中，创建和分配mem_map的内存区域, mem_map定义在[mm/page_alloc.c?v=4.7, line 6691](http://lxr.free-electrons.com/source/mm/page_alloc.c?v=4.7#L6691) + + +UMA体系结构中，free_area_init函数在系统唯一的struct node对象contig_page_data中node_mem_map成员赋值给全局的mem_map变量 + + + +#1 启动过程中的内存初始化 +------- + +在初始化过程中, 还必须建立内存管理的数据结构, 以及很多事务. 因为内核在内存管理完全初始化之前就需要使用内存. 在系统启动过程期间, 使用了额外的简化悉尼股市的内存管理模块, 然后在初始化完成后, 将旧的模块丢弃掉. + + +#1 建立数据结构 +------- + + + +对相关数据结构的初始化是从全局启动函数start_kernel中开始的, 该函数在加载内核并激活各个子系统之后执行. 由于内存管理是内核一个非常重要的部分, 因此在特定体系结构的设置步骤中检测并确定系统中内存的分配情况后, 会立即执行内存管理的初始化. + + +##1.2 系统启动 +------- + +##1.3 节点和内存域的初始化 +------- + + +#2 特定于体系结构的设置 +------- + +##2.1 内核在内存中的布局 +------- + +##2.2 初始化过程 +------- + + +##2.3 分页机制初始化 +------- + +##2.4 注册活动内存区 +------- + +##2.5 系统的地址空间设置 +------- +