《深入Linux内核架构》第3章内存管理（4）-编程知识

3.4 初始化内存管理

3.4.1 建立数据结构

3.4.2 特定于体系架构的设置

内核在内存中的布局

初始化步骤

分页机制的初始化

3.4.3 启动期间的内存管理

数据结构

初始化

与内核的接口

停用bootmem分配器

释放初始化数据

3.4 初始化内存管理

包括：

显式设置内存模型。

确认NUMA中内存总数量。

初始化内存节点。

3.4.1 建立数据结构

只有1个节点时（如UMA中），nid是伪参数。

#define NODE_DATA(nid) (&contig_page_data)

setup_arch()中内存相关有：

内存布局初始化：设置地址空间范围。

MMU配置：包括设置页表、页目录。

物理内存探测：解析启动参数或BIOS信息，获取内存总量和分布信息。

启用bootmem分配器，用于启动过程内存分配。

setup_per_cpu_areas：

bootmem分配器给每个CPU分配一块存储per-cpu变量的区域。

per-cpu变量保存在ELF文件单独的段中，如.data..percpu。

并加载到物理内存.data..percpu段中。

build_all_zonelists：

为每个CPU构建zonelist，其中zone按优先级排序。

可根据当前CPU的zonelis构快速找到最优的zone，以完成内存分配。

优点：优化内存访问，降低内存碎片、提高内存利用率。

mm_init:

初始化内核的页表。

停用bootmem分配器，迁移到伙伴系统。

初始化SLAB 分配器（后续章节讲）

预留内存页。

初始化内存统计和信息

setup_per_cpu_pageset：

给每个CPU设置缓存页的结构。

优点：避免使用伙伴系统分配，引发zone->lock锁竞争。

zonelist构建流程：

遍历所有内存节点ABCD，每个节点都建立各自zonelist。

如下图是节点C的zonelist，表示内存不足时尝试分配的优先次序。

C2表示：内存结点C的高端内存域。

D1表示：内存结点D的普通内存域

如想要从结点C分配一个高端内存域的内存，查看上图的2，优先从C2中分配，C2无法满足分配需求，依次尝试C1 C0 D2 ....

3.4.2 特定于体系架构的设置

本节所讲不同体系架构实现有差异。

2.6.24内核开始将IA32和AMD64统一为x86。

体系代码都迁移到目录arch/x86下。

内核在内存中的布局

先讲两个重要宏：

1. PHYS_OFFSET：内存在系统内的起始物理地址。

该值与平台相关，如项目中：

#define PHYS_OFFSET UL(CONFIG_DRAM_BASE)

CONFIG_DRAM_BASE=0x80000000

2. PAGE_OFFSET：内核空间的起始虚拟地址，划分了内核与用户空间。

32位系统为例：

若值为0xC0000000，即用户空间3GB，内核空间1GB。

若值为0x80000000，即用户空间和内核空间均为2GB。

cat /proc/iomem中可查看：

1. 系统RAM的起始物理地址。

2. 内核代码段和数据段的物理地址。

ZRELADDR：内核解压的运行物理地址。

我的项目中ZRELADDR地址为：

zreladdr-y := $(CONFIG_DRAM_BASE)+0x8000

CONFIG_DRAM_BASE是内存的起始物理地址，项目中值为0x80000000。

所以内核解压后运行地址是：内存起始偏移0x8000处，即0x80008000。

# cat /proc/iomem 可验证

80000000-83ffffff : System RAM

80008000-804cbb83 : Kernel code 内核的物理地址0x80008000

804ee000-8063b10f : Kernel data

内核编译链接时，vmlinux.ld.S确定内核的_text段，__edata等段，以及符号函数的虚拟地址，并存储在system.map文件。

一个内核符号的物理地址计算方法：

Physical Address = (Virtual Address - PAGE_OFFSET) + PHYS_OFFSET

PAGE_OFFSET：内核虚拟地址空间的的起始位置。

PHYS_OFFSET：内存的其实物理地址。

查看系统物理地址空间分布，包括所有硬件设备，如PCIE，RAM，SPI，PHY，RTC，flash等。

# cat /proc/iomem

00000000-00000000 : gdm-pmic

13200000-1320003f : gdm-spi

13380000-13381fff : gdm-rgmii

40000000-401fffff : gdm-sflash

80000000-83ffffff : System RAM

80008000-804628a7 : Kernel code

80484000-805daf4b : Kernel data

初始化步骤

Intel IA-32架构为例：

setup_arch中关于内存管理的部分如下：

parse_cmdline_early：解析cmdline中内存参数，如

mem=xxx[KMG]：

控制内核可用内存大小，例如只使用部分内存。

reserve=<start>,<size>

预留一块物理内存不使用。

cma=<start>,<size>

启动时预留一块连续的物理内存，例如给DMA设备或者图形硬件使用。

setup_memory

确定每个节点可用的物理内存页数目

初始化bootmem

分配各个内存区

paging_init

初始化内核页表。

根据编译选项，是否开启PAE特性。

zone_sizes_init

初始化所有内存结点的pgdata_t实例。

分页机制的初始化

先看几个地址空间分布图，以32位系统为例。

1. 内核虚拟地址空间分布：

2. 内核空间与物理内存映射：

直接映射区：即线性映射区。

范围：内核空间3G ~ 3G+896M，映射到物理内存DMA和NORMAL两个ZONE

直接映射区的虚拟地址转换为物理地址：

#define __pa(x) ((unsigned long) (x) - PAGE_OFFSET)

内存DMA和NORMAL的物理地址转换为虚拟地址：

#define __va(x) ((void *) ((unsigned long) (x) + PAGE_OFFSET))

注意：这两个函数只适用于直接映射区。

而高端内存区不是简单的线性映射，不适用。

内核空间最后128M，会映射到物理内存ZONE_HIGHMEM。有三种用途：

1. 固定映射： Fixed Mapping

编译时已映射到特定物理地址。

无需动态页表，快速访问的物理内存地址

用于：

映射硬件寄存器区和I/O。

起始处：FIXADDR_START

2. 永久/映射映射： pkmap：Persistent Kernel Mapping

将高端页帧长期映射到内核地址空间中，直到手动解除映射。

如kmap， kunmap函数。

3. vmalloc区：即动态内存映射区。

范围：VMALLOC_START ~ VMALLOC_END

vmalloc函数作用：

分配较大的连续虚拟内存，对应物理内存不连续。

paging_init：

划分内核空间与用户空间。

pagetable_init：

初始化系统PGD PUD PMD PTE页表。

将物理内存映射到虚拟地址PAGE_OFFSET处。

初始化固定映射。

load_cr3

将PGD页表（内核变量swapper_pg_dir）加载到CR3寄存器。

__flush_all_tlb：

刷出TLB，即清空页表缓存。

zone_pcp_init：

初始化PCP冷热页，包括初始化per_cpu_pageset实例。

计算batch值。

batch值作用：如果pcp没有空闲页，每次从zone中批量分配batch个页面。

batch大小：考虑让热缓存页有可能放置到CPU L2缓存中

3.4.3 启动期间的内存管理

内核启动过程中，内存管理子系统还未初始化，此时使用bootmem分配器进行内存分配。

bootmem：使用bitmap表示页空闲、已使用的页

分配时，遍历位图，找到所需连续空闲页。

缺点：每次分配都遍历位图，不高效。

数据结构

系统每个节点都有一个bootmem_data实例，在编译时分配。

struct bootmem_data {

unsigned long node_min_pfn;

起始物理页框号

unsigned long node_low_pfn;

可管理的物理内存最后一页编号，即ZONE_NORMAL最后一页

void *node_bootmem_map;

位图指针，表示页是否使用。

unsigned long last_end_off;

上次分配页的页内偏移，用于分配小于整页的内存

unsigned long hint_idx;

提供一个分配起点或最有位置的提示

struct list_head list;

链接所有结点的bootmem_data

} bootmem_data_t;

UMA系统只需一个sbootmem_data_t实例

contig_bootmem_data //contig，即contigous连续内存模型

初始化

ARM：setup_arch-> paging_init -> bootmem_init

而IA-32：set_memory 中进行bootmem初始化

bootmem：不使用内存的高端内存区域。

使用内存的normal区域，因为可通过固定的线性映射访问。访问简单。

bootmem初始化包括：

初始化bootmem_data结构体。

扫描内存，构建位图，表示对应内存页是否使用。

为设备驱动、DMA区域等预留内存区域。

与内核的接口

启动期间分配内存：

alloc_bootmem()/alloc_bootmem_pages()

从ZONE_NORMAL域内分配内存

alloc_bootmem_low()/alloc_bootmem_low_pages()

从ZONE_DMA域分配内存

alloc_bootmem_node()

NUMA中从指定节点的bootmme分配内存.

上述函数都调用alloc_bootmem_core(unsigned long size,

unsigned long align,

unsigned long goal,

unsigned long limit)

size：所需内存大小。

align：对齐方式，如按page对齐。

goal：目标地址，建议分配的内存地址

limit：确保不会分配超过这个地址的内存。

释放内存

free_bootmem（unsigned long addr, unsigned long size）

void __init free_bootmem_node(pg_data_t *pgdat, unsigned long physaddr, unsigned long size)

这两个函数使用较少，大部分分配的内存后续会一直使用，不用释放。

停用bootmem分配器

系统初始化到伙伴系统后，伙伴系统将负责内存分配工作，此时需停用bootmem分配器。

停用bootmem函数：

free_all_bootmem(void)

扫描bootmem位图，释放未使用页到伙伴系统。

释放初始化数据

__init和__initdata是GNU C编译器语句，编译后会将对应数据和函数放在内核镜像的特定段。

启动结束，可从内存完全删除对应数据和函数。

其实现为：

#define __init __attribute__(__section(.init.text)) __cold

#define __initdata __attribute__(__section(.init.data))

__attribute__：GCC关键字

__section：编译器将数据放入二进制文件.init.text和.inint.data中

__cold：该函数不会被经常调用

命令readelf可查看内核镜像的各个段，如：

readelf - sections vmlinux