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linux物理内存描述

 joy_chen 2013-04-15

linux使用于广泛的体系结构，因此需要用一种与体系结构无关的方式来描述内存。linux用VM描述和管理内存。在VM中兽药的普遍概念就是非一致内存访问。对于大型机器而言，内存会分成许多簇，依据簇与处理器“距离”的不同，访问不同的簇会有不同的代价。

每个簇都被认为是一个节点（pg_data_t)，每个节点被分成很多的成为管理区（zone)的块，用于表示内存中的某个范围。除了ZONE_DMA,ZONE_NORMAL,ZONE_HIGHMEM以外，linux2.6.32中引入了ZONE_MOVABLE，用于适应大块连续内存的分配。

每个物理页面由一个page结构体描述，所有的结构都存储在一个全局的mem_map数组中（非平板模式），该数组通常存放在ZONE_NORMAL的首部，或者就在校内存系统中为装入内核映像而预留的区域之后。

节点

内存的每个节点都有pg_data_t描述，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。

[cpp] view plaincopyprint?
  1. /* 
  2.  * The pg_data_t structure is used in machines with CONFIG_DISCONTIGMEM 
  3.  * (mostly NUMA machines?) to denote a higher-level memory zone than the 
  4.  * zone denotes. 
  5.  * 
  6.  * On NUMA machines, each NUMA node would have a pg_data_t to describe 
  7.  * it's memory layout. 
  8.  * 
  9.  * Memory statistics and page replacement data structures are maintained on a 
  10.  * per-zone basis. 
  11.  */  
  12. struct bootmem_data;  
  13. typedef struct pglist_data {  
  14.      /*该节点内的内存区。可能的区域类型用zone_type表示。 */  
  15.     struct zone node_zones[MAX_NR_ZONES];  
  16.      /* 该节点的备用内存区。当节点没有可用内存时，就从备用区中分配内存。*/  
  17.     struct zonelist node_zonelists[MAX_ZONELISTS];  
  18.       /*可用内存区数目，即node_zones数据中保存的最后一个有效区域的索引*/  
  19.     int nr_zones;  
  20. #ifdef CONFIG_FLAT_NODE_MEM_MAP /* means !SPARSEMEM */  
  21.      /* 在平坦型的内存模型中，它指向本节点第一个页面的描述符。 */  
  22.     struct page *node_mem_map;  
  23. #ifdef CONFIG_CGROUP_MEM_RES_CTLR  
  24.     /*cgroup相关*/  
  25.     struct page_cgroup *node_page_cgroup;  
  26. #endif  
  27. #endif  
  28.   /** 
  29.           * 在内存子系统初始化以前，即boot阶段也需要进行内存管理。 
  30.           * 此结构用于这个阶段的内存管理。 
  31.           */  
  32.     struct bootmem_data *bdata;  
  33. #ifdef CONFIG_MEMORY_HOTPLUG  
  34.     /* 
  35.      * Must be held any time you expect node_start_pfn, node_present_pages 
  36.      * or node_spanned_pages stay constant.  Holding this will also 
  37.      * guarantee that any pfn_valid() stays that way. 
  38.      * 
  39.      * Nests above zone->lock and zone->size_seqlock. 
  40.      */  
  41.         /*当系统支持内存热插拨时，用于保护本结构中的与节点大小相关的字段。 
  42.             哪调用node_start_pfn，node_present_pages，node_spanned_pages相关的代码时，需要使用该锁。 
  43.           */  
  44.     spinlock_t node_size_lock;  
  45. #endif  
  46.     /*起始页面帧号，指出该节点在全局mem_map中 
  47.     的偏移*/  
  48.     unsigned long node_start_pfn;  
  49.     unsigned long node_present_pages; /* total number of physical pages */  
  50.     unsigned long node_spanned_pages; /* total size of physical page range, including holes */  
  51.     /*节点编号*/                          
  52.     int node_id;  
  53.     /*等待该节点内的交换守护进程的等待队列。将节点中的页帧换出时会用到。*/  
  54.     wait_queue_head_t kswapd_wait;  
  55.     /*负责该节点的交换守护进程。*/  
  56.     struct task_struct *kswapd;  
  57.     /*由页交换子系统使用，定义要释放的区域大小。*/  
  58.     int kswapd_max_order;  
  59. } pg_data_t;  
管理区

每个管理区由一个zone结构体描述，对于管理区的类型描述如下

[cpp] view plaincopyprint?
  1. enum zone_type {  
  2. #ifdef CONFIG_ZONE_DMA  
  3.     /* 
  4.      * ZONE_DMA is used when there are devices that are not able 
  5.      * to do DMA to all of addressable memory (ZONE_NORMAL). Then we 
  6.      * carve out the portion of memory that is needed for these devices. 
  7.      * The range is arch specific. 
  8.      * 
  9.      * Some examples 
  10.      * 
  11.      * Architecture     Limit 
  12.      * --------------------------- 
  13.      * parisc, ia64, sparc  <4G 
  14.      * s390         <2G 
  15.      * arm          Various 
  16.      * alpha        Unlimited or 0-16MB. 
  17.      * 
  18.      * i386, x86_64 and multiple other arches 
  19.      *          <16M. 
  20.      */  
  21.     ZONE_DMA,  
  22. #endif  
  23. #ifdef CONFIG_ZONE_DMA32  
  24.     /* 
  25.      * x86_64 needs two ZONE_DMAs because it supports devices that are 
  26.      * only able to do DMA to the lower 16M but also 32 bit devices that 
  27.      * can only do DMA areas below 4G. 
  28.      */  
  29.     ZONE_DMA32,  
  30. #endif  
  31.     /* 
  32.      * Normal addressable memory is in ZONE_NORMAL. DMA operations can be 
  33.      * performed on pages in ZONE_NORMAL if the DMA devices support 
  34.      * transfers to all addressable memory. 
  35.      */  
  36.     ZONE_NORMAL,  
  37. #ifdef CONFIG_HIGHMEM  
  38.     /* 
  39.      * A memory area that is only addressable by the kernel through 
  40.      * mapping portions into its own address space. This is for example 
  41.      * used by i386 to allow the kernel to address the memory beyond 
  42.      * 900MB. The kernel will set up special mappings (page 
  43.      * table entries on i386) for each page that the kernel needs to 
  44.      * access. 
  45.      */  
  46.     ZONE_HIGHMEM,  
  47. #endif  
  48.     /* 
  49.           这是一个伪内存段。为了防止形成物理内存碎片， 
  50.           可以将虚拟地址对应的物理地址进行迁移。 
  51.           */  
  52.     ZONE_MOVABLE,  
  53.     __MAX_NR_ZONES  
  54. };  
里面的英文注释已经写的很详细了。

管理区用于跟踪诸如页面使用情况统计数，空闲区域信息和锁信息等。

[cpp] view plaincopyprint?
  1. struct zone {  
  2.     /* Fields commonly accessed by the page allocator */  
  3.   
  4.     /* zone watermarks, access with *_wmark_pages(zone) macros */  
  5.     /*本管理区的三个水线值:高水线(比较充足)、低水线、MIN水线。*/  
  6.     unsigned long watermark[NR_WMARK];  
  7.   
  8.     /* 
  9.      * We don't know if the memory that we're going to allocate will be freeable 
  10.      * or/and it will be released eventually, so to avoid totally wasting several 
  11.      * GB of ram we must reserve some of the lower zone memory (otherwise we risk 
  12.      * to run OOM on the lower zones despite there's tons of freeable ram 
  13.      * on the higher zones). This array is recalculated at runtime if the 
  14.      * sysctl_lowmem_reserve_ratio sysctl changes. 
  15.      */  
  16.       /** 
  17.           * 当高端内存、normal内存区域中无法分配到内存时，需要从normal、DMA区域中分配内存。 
  18.           * 为了避免DMA区域被消耗光，需要额外保留一些内存供驱动使用。 
  19.           * 该字段就是指从上级内存区退到回内存区时，需要额外保留的内存数量。 
  20.           */  
  21.     unsigned long       lowmem_reserve[MAX_NR_ZONES];  
  22.   
  23. #ifdef CONFIG_NUMA  
  24.     /*所属的NUMA节点。*/  
  25.     int node;  
  26.     /* 
  27.      * zone reclaim becomes active if more unmapped pages exist. 
  28.      */  
  29.      /*当可回收的页超过此值时，将进行页面回收。*/  
  30.     unsigned long       min_unmapped_pages;  
  31.     /*当管理区中，用于slab的可回收页大于此值时，将回收slab中的缓存页。*/  
  32.     unsigned long       min_slab_pages;  
  33.     /* 
  34.           * 每CPU的页面缓存。 
  35.           * 当分配单个页面时，首先从该缓存中分配页面。这样可以: 
  36.           *避免使用全局的锁 
  37.           * 避免同一个页面反复被不同的CPU分配，引起缓存行的失效。 
  38.           * 避免将管理区中的大块分割成碎片。 
  39.           */  
  40.     struct per_cpu_pageset  *pageset[NR_CPUS];  
  41. #else  
  42.     struct per_cpu_pageset  pageset[NR_CPUS];  
  43. #endif  
  44.     /* 
  45.      * free areas of different sizes 
  46.      */  
  47.      /*该锁用于保护伙伴系统数据结构。即保护free_area相关数据。*/  
  48.     spinlock_t      lock;  
  49. #ifdef CONFIG_MEMORY_HOTPLUG  
  50.     /* see spanned/present_pages for more description */  
  51.     /*用于保护spanned/present_pages等变量。这些变量几乎不会发生变化，除非发生了内存热插拨操作。 
  52.            这几个变量并不被lock字段保护。并且主要用于读，因此使用读写锁。*/  
  53.     seqlock_t       span_seqlock;  
  54. #endif  
  55.     /*伙伴系统的主要变量。这个数组定义了11个队列，每个队列中的元素都是大小为2^n的页面*/  
  56.     struct free_area    free_area[MAX_ORDER];  
  57.   
  58. #ifndef CONFIG_SPARSEMEM  
  59.     /* 
  60.      * Flags for a pageblock_nr_pages block. See pageblock-flags.h. 
  61.      * In SPARSEMEM, this map is stored in struct mem_section 
  62.      */  
  63.      /*本管理区里的页面标志数组*/  
  64.     unsigned long       *pageblock_flags;  
  65. #endif /* CONFIG_SPARSEMEM */  
  66.   
  67.     /*填充的未用字段，确保后面的字段是缓存行对齐的*/  
  68.     ZONE_PADDING(_pad1_)  
  69.   
  70.     /* Fields commonly accessed by the page reclaim scanner */  
  71.     /* 
  72.           * lru相关的字段用于内存回收。这个字段用于保护这几个回收相关的字段。 
  73.           * lru用于确定哪些字段是活跃的，哪些不是活跃的，并据此确定应当被写回到磁盘以释放内存。 
  74.           */  
  75.     spinlock_t      lru_lock;     
  76.     /* 匿名活动页、匿名不活动页、文件活动页、文件不活动页链表头*/  
  77.     struct zone_lru {  
  78.         struct list_head list;  
  79.     } lru[NR_LRU_LISTS];  
  80.     /*页面回收状态*/  
  81.     struct zone_reclaim_stat reclaim_stat;  
  82.     /*自从最后一次回收页面以来，扫过的页面数*/  
  83.     unsigned long       pages_scanned;     /* since last reclaim */  
  84.     unsigned long       flags;         /* zone flags, see below */  
  85.   
  86.     /* Zone statistics */  
  87.     atomic_long_t       vm_stat[NR_VM_ZONE_STAT_ITEMS];  
  88.   
  89.     /* 
  90.      * prev_priority holds the scanning priority for this zone.  It is 
  91.      * defined as the scanning priority at which we achieved our reclaim 
  92.      * target at the previous try_to_free_pages() or balance_pgdat() 
  93.      * invokation. 
  94.      * 
  95.      * We use prev_priority as a measure of how much stress page reclaim is 
  96.      * under - it drives the swappiness decision: whether to unmap mapped 
  97.      * pages. 
  98.      * 
  99.      * Access to both this field is quite racy even on uniprocessor.  But 
  100.      * it is expected to average out OK. 
  101.      */  
  102.     int prev_priority;  
  103.   
  104.     /* 
  105.      * The target ratio of ACTIVE_ANON to INACTIVE_ANON pages on 
  106.      * this zone's LRU.  Maintained by the pageout code. 
  107.      */  
  108.     unsigned int inactive_ratio;  
  109.   
  110.     /*为cache对齐*/  
  111.     ZONE_PADDING(_pad2_)  
  112.     /* Rarely used or read-mostly fields */  
  113.   
  114.     /* 
  115.      * wait_table       -- the array holding the hash table 
  116.      * wait_table_hash_nr_entries   -- the size of the hash table array 
  117.      * wait_table_bits  -- wait_table_size == (1 << wait_table_bits) 
  118.      * 
  119.      * The purpose of all these is to keep track of the people 
  120.      * waiting for a page to become available and make them 
  121.      * runnable again when possible. The trouble is that this 
  122.      * consumes a lot of space, especially when so few things 
  123.      * wait on pages at a given time. So instead of using 
  124.      * per-page waitqueues, we use a waitqueue hash table. 
  125.      * 
  126.      * The bucket discipline is to sleep on the same queue when 
  127.      * colliding and wake all in that wait queue when removing. 
  128.      * When something wakes, it must check to be sure its page is 
  129.      * truly available, a la thundering herd. The cost of a 
  130.      * collision is great, but given the expected load of the 
  131.      * table, they should be so rare as to be outweighed by the 
  132.      * benefits from the saved space. 
  133.      * 
  134.      * __wait_on_page_locked() and unlock_page() in mm/filemap.c, are the 
  135.      * primary users of these fields, and in mm/page_alloc.c 
  136.      * free_area_init_core() performs the initialization of them. 
  137.      */  
  138.     wait_queue_head_t   * wait_table;  
  139.     unsigned long       wait_table_hash_nr_entries;  
  140.     unsigned long       wait_table_bits;  
  141.   
  142.     /* 
  143.      * Discontig memory support fields. 
  144.      */  
  145.      /*管理区属于的节点*/  
  146.     struct pglist_data  *zone_pgdat;  
  147.     /* zone_start_pfn == zone_start_paddr >> PAGE_SHIFT */  
  148.     /*管理区的页面在mem_map中的偏移*/  
  149.     unsigned long       zone_start_pfn;  
  150.   
  151.     /* 
  152.      * zone_start_pfn, spanned_pages and present_pages are all 
  153.      * protected by span_seqlock.  It is a seqlock because it has 
  154.      * to be read outside of zone->lock, and it is done in the main 
  155.      * allocator path.  But, it is written quite infrequently. 
  156.      * 
  157.      * The lock is declared along with zone->lock because it is 
  158.      * frequently read in proximity to zone->lock.  It's good to 
  159.      * give them a chance of being in the same cacheline. 
  160.      */  
  161.     unsigned long       spanned_pages;  /* total size, including holes */  
  162.     unsigned long       present_pages;  /* amount of memory (excluding holes) */  
  163.   
  164.     /* 
  165.      * rarely used fields: 
  166.      */  
  167.     const char      *name;  
  168. } ____cacheline_internodealigned_in_smp;  
没有说明的地方，内核中的英文注释已经写得很清楚了。

页面

系统中每个物理页面都有一个相关联的page用于记录该页面的状态。

[cpp] view plaincopyprint?
  1. /* 
  2.  * Each physical page in the system has a struct page associated with 
  3.  * it to keep track of whatever it is we are using the page for at the 
  4.  * moment. Note that we have no way to track which tasks are using 
  5.  * a page, though if it is a pagecache page, rmap structures can tell us 
  6.  * who is mapping it. 
  7.  */  
  8. struct page {  
  9.     unsigned long flags;        /* Atomic flags, some possibly 
  10.                      * updated asynchronously */  
  11.     atomic_t _count;        /* Usage count, see below. */  
  12.     union {  
  13.         atomic_t _mapcount; /* Count of ptes mapped in mms, 
  14.                      * to show when page is mapped 
  15.                      * & limit reverse map searches. 
  16.                      */  
  17.         struct {        /* SLUB */  
  18.             u16 inuse;  
  19.             u16 objects;  
  20.         };  
  21.     };  
  22.     union {  
  23.         struct {  
  24.         unsigned long private;      /* Mapping-private opaque data: 
  25.                          * usually used for buffer_heads 
  26.                          * if PagePrivate set; used for 
  27.                          * swp_entry_t if PageSwapCache; 
  28.                          * indicates order in the buddy 
  29.                          * system if PG_buddy is set. 
  30.                          */  
  31.         struct address_space *mapping;  /* If low bit clear, points to 
  32.                          * inode address_space, or NULL. 
  33.                          * If page mapped as anonymous 
  34.                          * memory, low bit is set, and 
  35.                          * it points to anon_vma object: 
  36.                          * see PAGE_MAPPING_ANON below. 
  37.                          */  
  38.         };  
  39. #if USE_SPLIT_PTLOCKS  
  40.         spinlock_t ptl;  
  41. #endif  
  42.         struct kmem_cache *slab;    /* SLUB: Pointer to slab */  
  43.     /* 如果属于伙伴系统，并且不是伙伴系统中的第一个页 
  44.     则指向第一个页*/  
  45.         struct page *first_page;    /* Compound tail pages */  
  46.     };  
  47.     union {/*如果是文件映射，那么表示本页面在文件中的位置(偏移)*/  
  48.         pgoff_t index;      /* Our offset within mapping. */  
  49.         void *freelist;     /* SLUB: freelist req. slab lock */  
  50.     };  
  51.     struct list_head lru;       /* Pageout list, eg. active_list 
  52.                      * protected by zone->lru_lock ! 
  53.                      */  
  54.     /* 
  55.      * On machines where all RAM is mapped into kernel address space, 
  56.      * we can simply calculate the virtual address. On machines with 
  57.      * highmem some memory is mapped into kernel virtual memory 
  58.      * dynamically, so we need a place to store that address. 
  59.      * Note that this field could be 16 bits on x86 ... ;) 
  60.      * 
  61.      * Architectures with slow multiplication can define 
  62.      * WANT_PAGE_VIRTUAL in asm/page.h 
  63.      */  
  64. #if defined(WANT_PAGE_VIRTUAL)  
  65.     void *virtual;          /* Kernel virtual address (NULL if 
  66.                        not kmapped, ie. highmem) */  
  67. #endif /* WANT_PAGE_VIRTUAL */  
  68. #ifdef CONFIG_WANT_PAGE_DEBUG_FLAGS  
  69.     unsigned long debug_flags;  /* Use atomic bitops on this */  
  70. #endif  
  71.   
  72. #ifdef CONFIG_KMEMCHECK  
  73.     /* 
  74.      * kmemcheck wants to track the status of each byte in a page; this 
  75.      * is a pointer to such a status block. NULL if not tracked. 
  76.      */  
  77.     void *shadow;  
  78. #endif  
  79. };  
linux中主要的结构描述体现了linux物理内存管理的设计。后面会介绍linux内存管理的各个细节。

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