Linux — 物理内存管理

物理内存的组织方式

• 物理内存是由连续的一页一页的块组成，每个物理页都有页号
• 每个页由struct page表示，放进数组里——平坦内存模型

SMP和NUMA

• SMP中，总线会称为瓶颈，因为数据都要经过它
• NUMA中
  • 每个CPU都有本地内存，CPU访存不用过总线
  • 但本地内存不足时，每个CPU可以去另外的NUMA节点申请内存，延时较长
  • NUMA基本是非连续内存模型，非连续内存模型不一定就是NUMA

typedef struct pglist_data
{
  struct zone node_zones[MAX_NR_ZONES];  // 每个节点还会分成一个个区域zone
  struct zonelist node_zonelists[MAX_ZONELISTS];  // 备用节点
  int nr_zones;
  struct page *node_mem_map;  // 此节点的struct page数组
  unsigned long node_start_pfn;  // 起始页号
  unsigned long node_present_pages; /* total number of physical pages */
  unsigned long node_spanned_pages; /* total size of physical page range, including holes */
  int node_id;  // 自己的id
  ......
} pg_data_t;

举个例子：

64M 物理内存隔着一个 4M 的空洞，然后是另外的 64M 物理内存。 换算成页面数目就是，16K 个页面隔着 1K 个页面，然后是另外 16K 个页面。这种情况下，node_spanned_pages 就是 33K 个页面，node_present_pages 就是 32K 个页面。

ZONE_DMA

ZONE_DMA可用于做直接内存存取的内存。

DMA机制：

要把外设的数据读入内存或把内存的数据传送到外设，原来都要通过 CPU 控制完成，但是这会占用 CPU，影响 CPU 处理其他事情，所以有了 DMA 模式。CPU 只需向 DMA 控制器下达指令，让 DMA 控制器来处理数据的传送，数据传送完毕再把信息反馈给 CPU，这样就可以解放 CPU。

64位系统有两个DMA系统，除了ZONE_DMA还有ZONE_DMA32

区域

上面把内存分成了节点，把节点分成了区域。区域zone的定义：

struct zone {
......
  struct pglist_data  *zone_pgdat;
  struct per_cpu_pageset __percpu *pageset; // 用于区分冷热页

  unsigned long    zone_start_pfn; // 表示属于这个zone的第一页

  /*
   * spanned_pages is the total pages spanned by the zone, including
   * holes, which is calculated as:
   *   spanned_pages = zone_end_pfn - zone_start_pfn;
   *
   * present_pages is physical pages existing within the zone, which
   * is calculated as:
   *  present_pages = spanned_pages - absent_pages(pages in holes);
   *
   * managed_pages is present pages managed by the buddy system, which
   * is calculated as (reserved_pages includes pages allocated by the
   * bootmem allocator):
   *  managed_pages = present_pages - reserved_pages;
   *
   */
  unsigned long    managed_pages; // 此zone被伙伴系统管理的所有page数目
  unsigned long    spanned_pages; // 包括中间的物理内存空洞
  unsigned long    present_pages; // 物理内存中真实存在的page数

  const char    *name;
......
  /* free areas of different sizes */
  struct free_area  free_area[MAX_ORDER];

  /* zone flags, see below */
  unsigned long    flags;

  /* Primarily protects free_area */
  spinlock_t    lock;
......
} ____cacheline_internodealigned_in_

什么是冷热页？

x86 体系结构中，为了让 CPU 快速访问段描述符，在 CPU 里面有段描述符缓存。CPU 访问这个缓存的速度比内存快得多。同样对于页来讲，也是这样的。如果一个页被加载到 CPU 高速缓存里面，这就是一个热页（Hot Page），CPU 读起来速度会快很多，如果没有就是冷页（Cold Page）。由于每个 CPU 都有自己的高速缓存，因而 per_cpu_pageset 也是每个 CPU 一个。

页（Page）

一个物理页面可以使用多种模式：

• 要用就用一整页
  • 匿名页：一整页的内存，或者直接和虚拟地址空间建立映射关系
  • 内存映射文件：或者用于关联一个文件，然后再和虚拟地址空间建立映射关系
  • 每个进程都有自己的页表
• 仅需分配小块内存
  • Linux采用了slab allocator 的技术，用于分配称为slab的小块内存
  • 基本原理：
    • 从内存管理模块申请一整块页
    • 划分成多个小块的存储池，用复杂的队列维护小块的状态
    • 状态包括：被分配了/被放回池子/应该被回收

Linux中把所有空闲页分为了11个页块链表，每个块链表分别包含很多个大小的页块，有1、2、4、8、16、32、64、128、512和1024个连续的页块。

请求分配页块时，依次按照更大的页块链表去找。分配的页块有多余的页时，伙伴系统会根据多余的页块大小，插入到对应的空闲页块链表中。

举个栗子：

要请求一个 128 个页的页块时，先检查 128 个页的页块链表是否有空闲块。如果没有，则查 256 个页的页块链表；如果有空闲块的话，则将 256 个页的页块分成两份，一份使用，一份插入 128 个页的页块链表中。如果还是没有，就查 512 个页的页块链表；如果有的话，就分裂为 128、128、256 三个页块，一个 128 的使用，剩余两个插入对应页块链表。

小结

• 如果有多个 CPU，那就有多个节点。每个节点用 struct pglist_data 表示，放在一个数组里面。
• 每个节点分为多个区域，每个区域用 struct zone 表示，也放在一个数组里面。
• 每个区域分为多个页。为了方便分配，空闲页放在 struct free_area 里面，使用伙伴系统进行管理和分配，每一页用 struct page 表示。