【原创】（五）Linux内存管理zone_sizes_init

背景

• read the fucking source code! --by 鲁迅
• a picture is worth a thousand words. --by 高尔基

说明：

1. kernel版本：4.14
2. arm64处理器，contex-a53，双核
3. 使用工具：source insight 3.5， visio

1. 介绍

在（四）linux内存模型之sparse memory model中，我们分析了bootmem_init函数的上半部分，这次让我们来到下半部分吧，下半部分主要是围绕zone_sizes_init函数展开。
前景回顾：
bootmem_init()函数代码如下：

void __init bootmem_init(void)
{
    unsigned long min, max;

    min = pfn_up(memblock_start_of_dram());
    max = pfn_down(memblock_end_of_dram());

    early_memtest(min << page_shift, max << page_shift);

    max_pfn = max_low_pfn = max;

    arm64_numa_init();
    /*
     * sparsemem tries to allocate bootmem in memory_present(), so must be
     * done after the fixed reservations.
     */
    arm64_memory_present();

    sparse_init();
    zone_sizes_init(min, max);

    memblock_dump_all();
}

在linux中，物理内存地址区域采用zone来管理。不打算来太多前戏了，先上一张zone_sizes_init的函数调用图吧：

需要再说明一点是，使用的是arm64，uma（只有一个node），此外，流程分析中那些没有打开的宏，相应的函数就不深入分析了。开始探索吧！

2. 数据结构

关键的结构体如上图所示。
在numa架构下，每一个node都会对应一个struct pglist_data，在uma架构中只会使用唯一的一个struct pglist_data结构，比如我们在arm64 uma中使用的全局变量struct pglist_data __refdata contig_page_data。

struct pglist_data 关键字段

struct zone node_zones[];           //对应的zone区域，比如zone_dma，zone_normal等
struct zonelist_node_zonelists[];

unsigned long node_start_pfn;           //节点的起始内存页面帧号
unsigned long node_present_pages;    //总共可用的页面数
unsigned long node_spanned_pages;  //总共的页面数，包括有空洞的区域

wait_queue_head_t kswapd_wait;        //页面回收进程使用的等待队列
struct task_struct *kswapd;               //页面回收进程

struct zone 关键字段

unsigned long watermark[];          //水位值，wmark_min/wmark_lov/wmark_high，页面分配器和kswapd页面回收中会用到
long lowmem_reserved[];             //zone中预留的内存
struct pglist_data *zone_pgdat;     //执行所属的pglist_data
struct per_cpu_pageset *pageset;  //per-cpu上的页面，减少自旋锁的争用

unsigned long zone_start_pfn;       //zone的起始内存页面帧号
unsigned long managed_pages;    //被buddy system管理的页面数量
unsigned long spanned_pages;     //zone中总共的页面数，包含空洞的区域
unsigned long present_pages;      //zone里实际管理的页面数量

struct frea_area free_area[];         //管理空闲页面的列表

宏观点的描述：struct pglist_data描述单个node的内存（uma架构中的所有内存），然后内存又分成不同的zone区域，zone描述区域内的不同页面，包括空闲页面，buddy system管理的页面等。

3. zone

上个代码吧：

enum zone_type {
#ifdef config_zone_dma
    /*
     * zone_dma is used when there are devices that are not able
     * to do dma to all of addressable memory (zone_normal). then we
     * carve out the portion of memory that is needed for these devices.
     * the range is arch specific.
     *
     * some examples
     *
     * architecture     limit
     * ---------------------------
     * parisc, ia64, sparc  <4g
     * s390         <2g
     * arm          various
     * alpha        unlimited or 0-16mb.
     *
     * i386, x86_64 and multiple other arches
     *          <16m.
     */
    zone_dma,
#endif
#ifdef config_zone_dma32
    /*
     * x86_64 needs two zone_dmas because it supports devices that are
     * only able to do dma to the lower 16m but also 32 bit devices that
     * can only do dma areas below 4g.
     */
    zone_dma32,
#endif
    /*
     * normal addressable memory is in zone_normal. dma operations can be
     * performed on pages in zone_normal if the dma devices support
     * transfers to all addressable memory.
     */
    zone_normal,
#ifdef config_highmem
    /*
     * a memory area that is only addressable by the kernel through
     * mapping portions into its own address space. this is for example
     * used by i386 to allow the kernel to address the memory beyond
     * 900mb. the kernel will set up special mappings (page
     * table entries on i386) for each page that the kernel needs to
     * access.
     */
    zone_highmem,
#endif
    zone_movable,
#ifdef config_zone_device
    zone_device,
#endif
    __max_nr_zones

};

通用内存管理要应对各种不同的架构，x86，arm，mips...，为了减少复杂度，只需要挑自己架构相关的。目前我使用的平台，只配置了zone_dma和zone_normal。log输出如下图：

为什么没有zone_normal区域内，跟踪一通代码发现，zone_dma区域设置的大小是从起始内存开始的4g区域并且不能超过4g边界区域，而我使用的内存为512m，所以都在这个区域内了。

从上述结构体中可以看到，zone_dma是由宏定义的，zone_normal才是所有架构都有的区域，那么为什么需要一个zone_dma区域内，来张图：

所以，如果所有设备的寻址范围都是在内存的区域内的话，那么一个zone_normal是够用的。

4. calculate_node_totalpages

这个从名字看就很容易知道是为了统计node中的页面数，一张图片解释所有：

• 前边的文章分析过，物理内存由memblock维护，整个内存区域，是有可能存在空洞区域，也就是图中的hole部分；
• 针对每个类型的zone区域，分别会去统计跨越的page frame，以及可能存在的空洞，并计算实际可用的页面present_pages；
• node管理各个zone，它的spanned_pages和present_pages是统计各个zone相应页面之和。

这个过程计算完，基本就把页框的信息纳入管理了。

5. free_area_init_core

简单来说，free_area_init_core函数主要完成struct pglist_data结构中的字段初始化，并初始化它所管理的各个zone，看一下代码吧：

/*
 * set up the zone data structures:
 *   - mark all pages reserved
 *   - mark all memory queues empty
 *   - clear the memory bitmaps
 *
 * note: pgdat should get zeroed by caller.
 */
static void __paginginit free_area_init_core(struct pglist_data *pgdat)
{
    enum zone_type j;
    int nid = pgdat->node_id;

    pgdat_resize_init(pgdat);
#ifdef config_numa_balancing
    spin_lock_init(&pgdat->numabalancing_migrate_lock);
    pgdat->numabalancing_migrate_nr_pages = 0;
    pgdat->numabalancing_migrate_next_window = jiffies;
#endif
#ifdef config_transparent_hugepage
    spin_lock_init(&pgdat->split_queue_lock);
    init_list_head(&pgdat->split_queue);
    pgdat->split_queue_len = 0;
#endif
    init_waitqueue_head(&pgdat->kswapd_wait);
    init_waitqueue_head(&pgdat->pfmemalloc_wait);
#ifdef config_compaction
    init_waitqueue_head(&pgdat->kcompactd_wait);
#endif
    pgdat_page_ext_init(pgdat);
    spin_lock_init(&pgdat->lru_lock);
    lruvec_init(node_lruvec(pgdat));

    pgdat->per_cpu_nodestats = &boot_nodestats;

    for (j = 0; j < max_nr_zones; j++) {
        struct zone *zone = pgdat->node_zones + j;
        unsigned long size, realsize, freesize, memmap_pages;
        unsigned long zone_start_pfn = zone->zone_start_pfn;

        size = zone->spanned_pages;
        realsize = freesize = zone->present_pages;

        /*
         * adjust freesize so that it accounts for how much memory
         * is used by this zone for memmap. this affects the watermark
         * and per-cpu initialisations
         */
        memmap_pages = calc_memmap_size(size, realsize);
        if (!is_highmem_idx(j)) {
            if (freesize >= memmap_pages) {
                freesize -= memmap_pages;
                if (memmap_pages)
                    printk(kern_debug
                           "  %s zone: %lu pages used for memmap\n",
                           zone_names[j], memmap_pages);
            } else
                pr_warn("  %s zone: %lu pages exceeds freesize %lu\n",
                    zone_names[j], memmap_pages, freesize);
        }

        /* account for reserved pages */
        if (j == 0 && freesize > dma_reserve) {
            freesize -= dma_reserve;
            printk(kern_debug "  %s zone: %lu pages reserved\n",
                    zone_names[0], dma_reserve);
        }

        if (!is_highmem_idx(j))
            nr_kernel_pages += freesize;
        /* charge for highmem memmap if there are enough kernel pages */
        else if (nr_kernel_pages > memmap_pages * 2)
            nr_kernel_pages -= memmap_pages;
        nr_all_pages += freesize;

        /*
         * set an approximate value for lowmem here, it will be adjusted
         * when the bootmem allocator frees pages into the buddy system.
         * and all highmem pages will be managed by the buddy system.
         */
        zone->managed_pages = is_highmem_idx(j) ? realsize : freesize;
#ifdef config_numa
        zone->node = nid;
#endif
        zone->name = zone_names[j];
        zone->zone_pgdat = pgdat;
        spin_lock_init(&zone->lock);
        zone_seqlock_init(zone);
        zone_pcp_init(zone);

        if (!size)
            continue;

        set_pageblock_order();
        setup_usemap(pgdat, zone, zone_start_pfn, size);
        init_currently_empty_zone(zone, zone_start_pfn, size);
        memmap_init(size, nid, j, zone_start_pfn);
    }
}

• 初始化struct pglist_data内部使用的锁和队列；

遍历各个zone区域，进行如下初始化：

• 根据zone的spanned_pages和present_pages，调用calc_memmap_size计算管理该zone所需的struct page结构所占的页面数memmap_pages；

• zone中的freesize表示可用的区域，需要减去memmap_pages和dma_reserve的区域，如下图在开发板的log打印所示：memmap使用2048页，dma 保留0页；
  

• 计算nr_kernel_pages和nr_all_pages的数量，为了说明这两个参数和页面的关系，来一张图（由于我使用的平台只有一个zone_dma区域，且arm64没有zone_highmem区域，不具备典型性，故以arm32为例）：
  

• 初始化zone使用的各类锁；

• 分配和初始化usemap，初始化buddy system中使用的free_area[], lruvec, pcp等；

• memmap_init()->memmap_init_zone()，该函数主要是根据pfn，通过pfn_to_page找到对应的struct page结构，并将该结构进行初始化处理，并设置migrate_movable标志，表明可移动；

最后，当我们回顾bootmem_init函数时，发现它基本上完成了linux物理内存框架的初始化，包括node, zone, page frame，以及对应的数据结构等。

结合上篇文章（四）linux内存模型之sparse memory model阅读，效果会更佳噢！

持续中...