【Linux内核学习笔记一】内存管理-节点

      本文用于学习和分享，参考了《深入理解linux内核》《深入理解linux虚拟内存管理》等书籍以及内存管理相关的博文。

1.UMA和NUMA两种模型

• UMA：均匀存储器存取（Uniform-Memory-Access，简称UMA）模型
• NUMA：非均匀存储器存取（Nonuniform-Memory-Access，简称NUMA）模型

2.簇

      在NUMA体系结构中，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, 访问不同簇的时间也会不同。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。对每个CPU而言，内核都试图把耗时簇的访问次数减到最少。

3.节点

     每个簇被认为是一个节点（node）。在linux中的 struct pglist_data 体现了这一概念，即便在UMA体系结构中亦是如此。 (UMA体系结构中，只有一个节点)。

       内存中的每个节点都由 pg_data_t 描述，而 pg_data_t 由 struct pglist_data 定义。在分配一个页面时，linux采用节点局部分配策略，从最靠近CPU的节点分配内存。结构体 struct pglist_data 在<linux/mmzone.h>中声明，如下所示：

typedef struct pglist_data {
    struct zone node_zones[MAX_NR_ZONES];
    struct zonelist node_zonelists[MAX_ZONELISTS];
    int nr_zones;
    struct page *node_mem_map;
    struct bootmem_data *bdata;
    unsigned long node_start_pfn;
    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;
    wait_queue_head_t kswapd_wait;
    wait_queue_head_t pfmemalloc_wait;
    struct task_struct *kswapd;    /* Protected by mem_hotplug_begin/end() */
    int kswapd_max_order;
    enum zone_type classzone_idx;
} pg_data_t;

以下对每个字段进行简要分析：

• node_zones：节点中管理区描述符的数组，这些管理区为ZONE_HIGHMEM, ZONE_NORMAL, ZONE_DMA.
• node_zonelists：页分配器使用的zonelist数据结构的数组，这是优先分配的管理区数组。当调用free_area_init_core()时，该数组由mm/page_alloc.c文件中的build_zonelists()进行分配。分配时，如果ZONE_HIGHMEM分配失败，就返回来分配为ZONE_NORMAL或ZONE_DMA。以下是对  zonelist 数据结构 的分析：

   zonelist 是用于内存分配的zone列表。

struct zonelist {
       //当前节点中，每个zone的备份列表。 当前节点的zone中无可用内存时，会向这些备用节点进行分配。
       struct zonelist_cache *zlcache_ptr;             // NULL or &zlcache

       //当前节点中所有zone列表
       struct zoneref _zonerefs[MAX_ZONES_PER_ZONELIST + 1];
      #ifdef CONFIG_NUMA

       //用于优化，通过位图指示相应的zone是否有内存可用
       struct zonelist_cache zlcache;                 // optional ... 
      #endif
};

   zonelist_cache 是描述内存节点的备用zone列表的描述符，用于性能优化

struct zonelist_cache{
       //zone所属的节点id
       unsigned short z_to_n[MAX_ZONES_PER_ZONELIST];        /* zone->nid */

       //相应的zone是否为full
       DECLARE_BITMAP(fullzones, MAX_ZONES_PER_ZONELIST);    /* zone full? */

       //最后检查的时间
       unsigned long last_full_zap;        /* when last zap'd (jiffies) */
};

  zoneref 是对zone的引用

struct zoneref {
       //实际引用的zone指针
       struct zone *zone;    /* Pointer to actual zone */

       //在引用数组中的索引
       int zone_idx;        /* zone_idx(zoneref->zone) */
};         

• nr_zones：节点中管理区数目。节点中有1到3个管理区，但并不是所有的节点都有三个管理区。比如，一个CPU簇里可能并没有ZONE_DMA。
• node_mem_map：指向的mem_map属于本节点的第一个页面的描述符，这是 struct page 数组的第一个 page，代表了节点中所有的物理帧。它将被放置在全局 mem_map 数组的某个位置。
• bdata：系统中内存的每个节点都有一个bootmem_data数据结构。它包含引导内存分配器为节点分配内存所需的信息。在<linux/bootmem.h>中声明如下:

/*
 * node_bootmem_map is a map pointer - the bits represent all physical 
 * memory pages (including holes) on the node.
 */
typedef struct bootmem_data {
	//内存块的最小页帧号
	unsigned long node_min_pfn;
	//内存块的低端页帧号，高于此页帧的都被分配了。
	unsigned long node_low_pfn;
	//内存块的页面映射位图
	void *node_bootmem_map;
	unsigned long last_end_off;
	unsigned long hint_idx;
	struct list_head list;
} bootmem_data_t;

• node_start_pfn：节点第一个页面帧逻辑编号，所有页帧是依次编号的，每个页帧的号码都是全局唯一的。在UMA中总是0。
• node_present_pages：所有的物理页面。
• node_spanned_pages：物理页面范围的总大小，包括洞。
• node_id：这是从0开始的节点号（NID）。
• kswapd_wait：交换守护进程的等待队列。
• wait_queue_head_t pfmemalloc_wait：直接内存回收中的等待队列。
• kswapd：指向该节点的kswapd守护进程，该进程用于释放页面。
• kswapd_max_order：用于页交换子系统的实现，用来定义需要释放的区域的长度。
• classzone_idx：管理区类型，ZONE_HIGHMEM, ZONE_NORMAL或 ZONE_DMA.

4.节点初始化

本文基于x86讲解节点的初始化。在初始化节点时的调用顺序为：

setup_arch()->paging_init()->zone_sizes_init()->free_area_init_nodes()。free_area_init_nodes()再调用free_area_init_node()对每个节点进行初始化，代码如下：

void __paginginit free_area_init_node(int nid, unsigned long *zones_size,
		unsigned long node_start_pfn, unsigned long *zholes_size)
{
	pg_data_t *pgdat = NODE_DATA(nid);
	unsigned long start_pfn = 0;
	unsigned long end_pfn = 0;

	/* pg_data_t should be reset to zero when it's allocated */
	WARN_ON(pgdat->nr_zones || pgdat->classzone_idx);

	reset_deferred_meminit(pgdat);
	//设置内存区的节点号和起始pfn
	pgdat->node_id = nid;
	pgdat->node_start_pfn = node_start_pfn;
#ifdef CONFIG_HAVE_MEMBLOCK_NODE_MAP
	get_pfn_range_for_nid(nid, &start_pfn, &end_pfn);
	pr_info("Initmem setup node %d [mem %#018Lx-%#018Lx]\n", nid,
		(u64)start_pfn << PAGE_SHIFT,
		end_pfn ? ((u64)end_pfn << PAGE_SHIFT) - 1 : 0);
#endif
	/**
	 * 初始化节点中每个zone的大小和空洞。
	 */
	calculate_node_totalpages(pgdat, start_pfn, end_pfn,
				  zones_size, zholes_size);

	//设置节点的node_mem_map
	alloc_node_mem_map(pgdat);
#ifdef CONFIG_FLAT_NODE_MEM_MAP
	printk(KERN_DEBUG "free_area_init_node: node %d, pgdat %08lx, node_mem_map %08lx\n",
		nid, (unsigned long)pgdat,
		(unsigned long)pgdat->node_mem_map);
#endif

	//初始化zone，设置zone的free_area链表，标记所有页面不可用。
	free_area_init_core(pgdat);
}

       初始化节点时将对 mem_map 及每个管理区（zone）进行初始化（管理区的初始化在【Linux内核学习笔记二】内存管理-管理区（zone）中进行讲解）。

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5.mem_map初始化

       通过free_area_init_node()->alloc_node_mem_map()，free_area_init_node()->free_area_init_core->memmap_init()

对mem_map 进行初始化。

       alloc_node_mem_map() 初始化节点的局部映射地址，即pg_data_t->node_mem_map。在NUMA中，全局mem_map指向系统第一个节点的地址，系统中每个节点的起始地址，都对应在全局mem_map的某个位置。在UMA中，全局mem_map就是节点的node_mem_map。 代码如下所示：

static void __init_refok alloc_node_mem_map(struct pglist_data *pgdat)
{
	/* Skip empty nodes */
	if (!pgdat->node_spanned_pages)
		return;

#ifdef CONFIG_FLAT_NODE_MEM_MAP
	/* ia64 gets its own node_mem_map, before this, without bootmem */
	if (!pgdat->node_mem_map) {
		unsigned long size, start, end;
		struct page *map;

		/*
		 * The zone's endpoints aren't required to be MAX_ORDER
		 * aligned but the node_mem_map endpoints must be in order
		 * for the buddy allocator to function correctly.
		 */
		start = pgdat->node_start_pfn & ~(MAX_ORDER_NR_PAGES - 1);
		end = pgdat_end_pfn(pgdat);
		end = ALIGN(end, MAX_ORDER_NR_PAGES);
		size =  (end - start) * sizeof(struct page);
		map = alloc_remap(pgdat->node_id, size);
		if (!map)
			map = memblock_virt_alloc_node_nopanic(size,
							       pgdat->node_id);

                //计算属于本节点的第一个页面的描述符
		pgdat->node_mem_map = map + (pgdat->node_start_pfn - start);
	}
#ifndef CONFIG_NEED_MULTIPLE_NODES
	/*
	 * With no DISCONTIG, the global mem_map is just set as node 0's
	 */
        //在多节点系统中全局mem_map指向系统第一个节点的起始地址
 	if (pgdat == NODE_DATA(0)) {
		mem_map = NODE_DATA(0)->node_mem_map;
#ifdef CONFIG_HAVE_MEMBLOCK_NODE_MAP
		if (page_to_pfn(mem_map) != pgdat->node_start_pfn)
			mem_map -= (pgdat->node_start_pfn - ARCH_PFN_OFFSET);
#endif /* CONFIG_HAVE_MEMBLOCK_NODE_MAP */
	}
#endif
#endif /* CONFIG_FLAT_NODE_MEM_MAP */
}

       memmap_init()的定义如下所示：

#define memmap_init(size, nid, zone, start_pfn) \
	memmap_init_zone((size), (nid), (zone), (start_pfn), MEMMAP_EARLY)

 memmap_init_zone主要根据页框号pfn通过pfn_to_page()查找到页面管理结构page，然后对该页面的管理结构page进行初始化。代码如下所示：

/*
 * Initially all pages are reserved - free ones are freed
 * up by free_all_bootmem() once the early boot process is
 * done. Non-atomic initialization, single-pass.
 */
void __meminit memmap_init_zone(unsigned long size, int nid, unsigned long zone,
		unsigned long start_pfn, enum memmap_context context)
{
	struct page *page;
	unsigned long end_pfn = start_pfn + size;
	unsigned long pfn;
	struct zone *z;

	if (highest_memmap_pfn < end_pfn - 1)
		highest_memmap_pfn = end_pfn - 1;

	z = &NODE_DATA(nid)->node_zones[zone];
	for (pfn = start_pfn; pfn < end_pfn; pfn++) {
		/*
		 * There can be holes in boot-time mem_map[]s
		 * handed to this function.  They do not
		 * exist on hotplugged memory.
		 */
		if (context == MEMMAP_EARLY) {
			if (!early_pfn_valid(pfn))
				continue;
			if (!early_pfn_in_nid(pfn, nid))
				continue;
		}
		page = pfn_to_page(pfn);
		set_page_links(page, zone, nid, pfn);
		mminit_verify_page_links(page, zone, nid, pfn);
		init_page_count(page);
		page_mapcount_reset(page);
		page_cpupid_reset_last(page);
		SetPageReserved(page);
		/*
		 * Mark the block movable so that blocks are reserved for
		 * movable at startup. This will force kernel allocations
		 * to reserve their blocks rather than leaking throughout
		 * the address space during boot when many long-lived
		 * kernel allocations are made. Later some blocks near
		 * the start are marked MIGRATE_RESERVE by
		 * setup_zone_migrate_reserve()
		 *
		 * bitmap is created for zone's valid pfn range. but memmap
		 * can be created for invalid pages (for alignment)
		 * check here not to call set_pageblock_migratetype() against
		 * pfn out of zone.
		 */
		if ((z->zone_start_pfn <= pfn)
		    && (pfn < zone_end_pfn(z))
		    && !(pfn & (pageblock_nr_pages - 1)))
			set_pageblock_migratetype(page, MIGRATE_MOVABLE);

		INIT_LIST_HEAD(&page->lru);
#ifdef WANT_PAGE_VIRTUAL
		/* The shift won't overflow because ZONE_NORMAL is below 4G. */
		if (!is_highmem_idx(zone))
			set_page_address(page, __va(pfn << PAGE_SHIFT));
#endif
	}
}