内存分配器memblock【转】

转自：http://blog.csdn.net/kickxxx/article/details/54710243

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目录(?)[-]

1. 背景
2. Data structure
3. memblock initialization
4. memblock API
5. memory和reserved region
1. memblock_reserved
2. memblock_alloc
3. memblock_free

背景

在Linux内核开发过程中, 多少都会存在一个patch, 引入了远超预期的麻烦. 内核2.6.34开发过程中, 这个奖项非CONFIG_NO_BOOTMEM莫属

bootmem本身是个简单的,低级的内存分配器. 在引导程序的初期用来分配内存. 有人可能会想, 没有必要再增加一个内存分配器, 但是由于内存管理代码在被调用前需要很多内核功能都准备好, 要想在启动初期使用内存管理代码会大大增加内存管理的复杂性. 在x86架构上, 会首先使用early_res机制接替BIOS e820的工作, 然后再交给架构独立的bootmem分配器, 最后才是全功能的buddy allocator

YingHai LU认为可以把bootmem从这个过程中去掉, 简化这个过程. 结果就是,
增加了一堆patch来扩展early_res机制, 把本该交给bootmem做的事情都做了, 然后直接到buddy分配器.
这些修改被合入了2.6.34, 老的基于bootmem的代码仍然保留. CONFIG_NO_BOOTMEM用来控制使用哪个分配器,
缺省情况下并不使用bootmem

一切本该非常美好, 但是随着kernel rc版本的发布, 新分配器测试陆续爆出很多问题, Linus发了一封邮件要求revert掉整个patch. 虽然简化代码这个注意看起来不错, 但是rc3仍然导致系统死机, 以及大量使用ifdef, 以及缺省打开CONFIG_NO_BOOTMEM, 导致了社区的怨气.

正常情况下, 新功能缺省情况下是不使能的. 新kernel应该尽最大可能和之前的kernel保持一致. 而CONFIG_NO_BOOTMEM缺省打开导致了很大的改变和问题.

Yinghai在2.6.35基础上又提交了一组patch, 使用logical memory block分配器替代early_res代码, 这组patch看起来比删除bootmem引入了更大的风险

--https://lwn.NET/Articles/382559/

在Yinghai删除bootmem patch的review过程中, 一些reviewers质疑为什么x86不使用logical
memory block(LMB)分配器替换early-res的代码. 当X86使用类似brk()形式的early-res时
Microblaze, PowerPC, SuperH和SPARC架构已经使用LMB进行系统启动初期的内存分配,
所以LMB可以看做是一个generic的解决方案. 使用通用代码的好处是显而易见的: 更多的人review代码, 总体维护代价更带.
所以使用LMB明显更合理.

因此Yinghai在2.6.35上又提交了一组patch来简化启动分配器代码

Data structure

1. struct memblock {
2. bool bottom_up;  /* is bottom up direction? */
3. phys_addr_t current_limit;
4. struct memblock_type memory;
5. struct memblock_type reserved;
6. };

bootom_up 设置为true时, 允许内存分配使用bottom-up模式

current_limit memblock分配内存时的上限

memory 描述了当前内存区包含的内存区数目, 总大小, 以及每个内存region

reserved 描述了当前内存块已经分配的内存区数目, 总大小,以及每个内存region. 在reserved中描述的地址范围, 表示不可以再被memblock分配.

memory用来描述memblock全部内存region(不区分分配和未分配), reserved用来描述memblock中已经分配的内存region

1. struct memblock_type {
2. unsigned long cnt;  /* number of regions */
3. unsigned long max;  /* size of the allocated array */
4. phys_addr_t total_size; /* size of all regions */
5. struct memblock_region *regions;
6. };

cnt         regions数目

max       最大regions数目

total_size    regions总尺寸

regions        regions array

1. struct memblock_region {
2. phys_addr_t base;
3. phys_addr_t size;
4. unsigned long flags;
5. #ifdef CONFIG_HAVE_MEMBLOCK_NODE_MAP
6. int nid;
7. #endif
8. };

base      region 基地址

size        region size

flags      region

memblock initialization

1. static struct memblock_region memblock_memory_init_regions[INIT_MEMBLOCK_REGIONS] __initdata_memblock;
2. static struct memblock_region memblock_reserved_init_regions[INIT_MEMBLOCK_REGIONS] __initdata_memblock;
3. struct memblock memblock __initdata_memblock = {
4. .memory.regions     = memblock_memory_init_regions,
5. .memory.cnt     = 1,    /* empty dummy entry */
6. .memory.max     = INIT_MEMBLOCK_REGIONS,
7. .reserved.regions   = memblock_reserved_init_regions,
8. .reserved.cnt       = 1,    /* empty dummy entry */
9. .reserved.max       = INIT_MEMBLOCK_REGIONS,
10. .bottom_up      = false,
11. .current_limit      = MEMBLOCK_ALLOC_ANYWHERE,
12. };

.memory.regions 和reserved.regions固定数组, 最多支持128个regions

memory.mx和reserved.max的最大值也为128

current_limit 也被定义为最大可能物理地址

memblock API

在include/linux/memblock.h中定义了memblock的API

1. int __init_memblock memblock_reserve(phys_addr_t base, phys_addr_t size)
2. {
3. return memblock_reserve_region(base, size, MAX_NUMNODES, 0);
4. }

memblock_reserve API主要是为系统启动阶段为kernel(text, data and initrd), swapper_pg_dir, reserved-memory, memreserve等预留内存.

1. int __init_memblock memblock_remove(phys_addr_t base, phys_addr_t size)
2. {
3. return __memblock_remove(&memblock.memory, base, size);
4. }

系统中有两处会调用memblock_remove:

1. early_init_dt_reserve_memory_arch中, 如果不希望这段内存被映射, 那么就调用memblock_remove, 把这段内存从memblock.memory中移除

2. arm_memblock_steal中, 调用memblock_remove从memblock.memory中偷一段内存空间, memblock.memory的regions中将不再包含这段内存空间.

1. int __init_memblock memblock_add(phys_addr_t base, phys_addr_t size)
2. {
3. return memblock_add_region(&memblock.memory, base, size,
4. MAX_NUMNODES, 0);
5. }

在memblock的memory type中增加一个region

base   是新增region的基地址

size    是新增region的尺寸

对于arm, 仅一处会调用memblock_add: arm_memblock_init 中根据meminfo向memblock.memory中增加region

memory和reserved region

memblock有两个memblock_type成员: memory和reserved

memblock.memory 描述memblock所有内存区(已分配的+未分配的)

memblock.reserved 描述已经分配的内存区, 所有分配和释放操作都是通过修改reserved来实现的. 分配操作在memblock.reserved上增加region, 释放操作则memblock.reserved上释放region.

memblock_reserved

1. int __init_memblock memblock_reserve(phys_addr_t base, phys_addr_t size)
2. {
3. return memblock_reserve_region(base, size, MAX_NUMNODES, 0);
4. }
5. static int __init_memblock memblock_reserve_region(phys_addr_t base,
6. phys_addr_t size,
7. int nid,
8. unsigned long flags)
9. {
10. struct memblock_type *_rgn = &memblock.reserved;
11. return memblock_add_region(_rgn, base, size, nid, flags);
12. }

memblock_reserve -> memblock_reserve_region -> memblock_add_region

调用memblock_add_region时第一个参数为 memblock.reserved, 也就是说在memblock.reserved增加一个region

memblock_add_region流程如下:

1. 如果type->regions[0].size==0, 表示regions数组为空, 添加region[0], 设置region[0]相关成员,即可返回. 此时该memblock_type有一个region了

2. 计算要插入的region数目, [base, base + size]可能会跨越多个已存在的region, 因此数目可能不为1.

3. 由于要插入新region, 所以需要先扩展regions array.

4. 插入这些regions

5. 执行region merge操作

我们可以看到memblock_reserve()操作压根就没考虑memblock.memory, 因为memblock_reserve()只是告诉memblock, 这部分内存被保留了, 不要再参与memblock分配操作

memblock_alloc

1. phys_addr_t __init memblock_alloc(phys_addr_t size, phys_addr_t align)
2. {
3. return memblock_alloc_base(size, align, MEMBLOCK_ALLOC_ACCESSIBLE);
4. }
5. phys_addr_t __init memblock_alloc_try_nid(phys_addr_t size, phys_addr_t align, int nid)
6. {
7. phys_addr_t res = memblock_alloc_nid(size, align, nid);
8. if (res)
9. return res;
10. return memblock_alloc_base(size, align, MEMBLOCK_ALLOC_ACCESSIBLE);
11. }

memblock_alloc->memblock_alloc_base->memblock_alloc_base_nid

1. static phys_addr_t __init memblock_alloc_base_nid(phys_addr_t size,
2. phys_addr_t align, phys_addr_t max_addr,
3. int nid)
4. {
5. phys_addr_t found;
6. if (!align)
7. align = SMP_CACHE_BYTES;
8. found = memblock_find_in_range_node(size, align, 0, max_addr, nid);
9. if (found && !memblock_reserve(found, size))
10. return found;
11. return 0;
12. }

1. memblock_find_in_range_node查找符合条件的物理地址, 查找过程会涉及到查看memblock.reserve

2. 如果找到了这个物理地址, 调用memblock_reserve进行真正的分配(就是在memblock.reserve中添加region)

memblock_free

释放参数指定的内存区间

1. int __init_memblock memblock_free(phys_addr_t base, phys_addr_t size)
2. {
3. memblock_dbg("   memblock_free: [%#016llx-%#016llx] %pF\n",
4. (unsigned long long)base,
5. (unsigned long long)base + size - 1,
6. (void *)_RET_IP_);
7. return __memblock_remove(&memblock.reserved, base, size);
8. }

逻辑很简单, 从memblock.reserved中删除[base, base+size]指定范围的region. 这样下次调用memblock_alloc时再检查reserved type时, 这段区域可以再次使用了