bootmem allocator
在系统启动阶段，buddy系统和slab分配器建立之前，系统的每个节点都拥有自己的bootmem allocator来实现内存的分配，当启动阶段结束后，bootmem allocator将被销毁，而相应的空闲内存会提交给buddy系统来管理，因此bootmem allocator所存在的时间是短暂的，它的宗旨是简单，而非高效！bootmem allocator的基本思想是在一个节点中建立一片位图区域，每一位对应该节点的低端内存的一个页框，通过一个bit来标记一个页的状态，实现页面的分配与回收。
首先了解一下bootmem的核心数据结构
typedef struct bootmem_data {
unsigned long node_min_pfn;
unsigned long node_low_pfn;
void *node_bootmem_map;
unsigned long last_end_off;
unsigned long hint_idx;
struct list_head list;
} bootmem_data_t;
-
node_min_pfn:节点的最小页框编号
-
node_low_pfn:节点的低端内存最大页框编号
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node_bootmem_map:节点的位图起始地址
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last_end_off:上次分配内存的最后一个字节相对于其所属页面末端的偏移，这个变量内存分配的时候用到，用于防止产生碎片
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hint_idx:用于内存分配时确定分配的起始地址
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list:用于将该节点的bootmem链入所有节点的bootmem链表
下面结合具体的代码就以下几个主要的方面介绍bootmem allocator的工作过程
1.bootmem allocator的初始化
2.bootmem allocator保留内存和释放内存
3.bootmem allocator分配内存
4.bootmem allocator的销毁
1.bootmem allocator的初始化
在arch_setup()，通过initmem_init()-->setup_bootmem_allocator()-->setup_node_bootmem()-->init_bootmem_node()来建立节点中的bootmem allocator. 还有一个初始化的函数是init_bootmem(),其和init_bootmem_node()一样，都是对init_bootmem_core()的封装，区别是前者只针对单节点系统，而后者指定了一个节点，在后面其他操作中都用到了类似的封装方法。
unsigned long __init init_bootmem_node(pg_data_t *pgdat, unsigned long freepfn,
unsigned long startpfn, unsigned long endpfn)
{
return init_bootmem_core(pgdat->bdata, freepfn, startpfn, endpfn);
}
unsigned long __init init_bootmem(unsigned long start, unsigned long pages)
{
max_low_pfn = pages;
min_low_pfn = start;
return init_bootmem_core(NODE_DATA(0)->bdata, start, 0, pages);
}
下面来看看bootmem初始化的核心函数init_bootmem_core()
static unsigned long __init init_bootmem_core(bootmem_data_t *bdata,
unsigned long mapstart, unsigned long start, unsigned long end)
{
unsigned long mapsize;
mminit_validate_memmodel_limits(&start, &end);
bdata->node_bootmem_map = phys_to_virt(PFN_PHYS(mapstart));/*存储位图起始地址的虚拟地址*/
bdata->node_min_pfn = start;/*节点中的起始页*/
bdata->node_low_pfn = end; /*节点中的终止页*/
link_bootmem(bdata);/*将该bdata按顺序链入bdata_list中*/
/*
* Initially all pages are reserved - setup_arch() has to
* register free RAM areas explicitly.
*/
mapsize = bootmap_bytes(end - start);
memset(bdata->node_bootmem_map, 0xff, mapsize);/*将位图全部置1，保留所有页*/
bdebug("nid=%td start=%lx map=%lx end=%lx mapsize=%lx\n",
bdata - bootmem_node_data, start, mapstart, end, mapsize);
return mapsize;/*返回位图大小*/
}
我们可以看到在init_bootmem_core()中，主要的工作就是初始化bdata中的变量，以及将位图全部置1，这些参数的确定是在前面列举的函数中完成的。
2.bootmem allocator保留内存和释放内存
保留内存和释放内存是两个相对的概念，bootmem allocator分配出去的内存的会被标记为保留状态，也就是对应的位图区域都为1，这些内存在bootmem allocator销毁后是不会被buddy系统接管的，而释放内存很好理解，就是将相应的页面置于空闲状态，这些页面可以被bootmem allocator分配，空闲的页面在bootmem allocator销毁后会被buddy系统接管。
先来看看保留内存的处理，调用reserve_bootmem_node()函数可以将指定节点中的指定范围页面置为保留状态
int __init reserve_bootmem_node(pg_data_t *pgdat, unsigned long physaddr,
unsigned long size, int flags)
{
unsigned long start, end;
start = PFN_DOWN(physaddr); /*获得起始页框*/
end = PFN_UP(physaddr + size); /*获得终止页框*/
return mark_bootmem_node(pgdat->bdata, start, end, 1, flags);
}
下面来看核心函数mark_bootmem_node()
static int __init mark_bootmem_node(bootmem_data_t *bdata,
unsigned long start, unsigned long end,
int reserve, int flags)
{
unsigned long sidx, eidx;
bdebug("nid=%td start=%lx end=%lx reserve=%d flags=%x\n",
bdata - bootmem_node_data, start, end, reserve, flags);
/*条件判断*/
BUG_ON(start < bdata->node_min_pfn);
BUG_ON(end > bdata->node_low_pfn);
/*计算出start index,end index,即start和end相对于节点最小页框号的偏移量*/
sidx = start - bdata->node_min_pfn;
eidx = end - bdata->node_min_pfn;
if (reserve) /*如果选择保留页框*/
return __reserve(bdata, sidx, eidx, flags);
else /*选择释放页框*/
__free(bdata, sidx, eidx);
return 0;
}
再看__reserve()
static int __init __reserve(bootmem_data_t *bdata, unsigned long sidx,
unsigned long eidx, int flags)
{
unsigned long idx;
int exclusive = flags & BOOTMEM_EXCLUSIVE;
bdebug("nid=%td start=%lx end=%lx flags=%x\n",
bdata - bootmem_node_data,
sidx + bdata->node_min_pfn,
eidx + bdata->node_min_pfn,
flags);
for (idx = sidx; idx < eidx; idx++)/*遍历sidx-->eidx的页框对应的位图区域*/
if (test_and_set_bit(idx, bdata->node_bootmem_map)) {/*把位图的相关位置1*/
if (exclusive) {
__free(bdata, sidx, idx);
return -EBUSY;
}
bdebug("silent double reserve of PFN %lx\n",
idx + bdata->node_min_pfn);
}
return 0;
}
可以看到，保留页面的关键操作就是调用test_and_set_bit()将位图的相关区域置1.
释放内存和保留内存的过程基本相同，只不过传递给mark_bootmem_node()的reserve参数为0，表示释放相应页面，因此在mark_bootmem_node()中会调用__free()
static void __init __free(bootmem_data_t *bdata,
unsigned long sidx, unsigned long eidx)
{
unsigned long idx;
bdebug("nid=%td start=%lx end=%lx\n", bdata - bootmem_node_data,
sidx + bdata->node_min_pfn,
eidx + bdata->node_min_pfn);
if (bdata->hint_idx > sidx)
bdata->hint_idx = sidx;/*保证hint_idx指向最低的空闲页*/
for (idx = sidx; idx < eidx; idx++)/*遍历相关的位图区域*/
if (!test_and_clear_bit(idx, bdata->node_bootmem_map))/*清零*/
BUG();
}
__free()相较__reserve()多了一处对bdata->hint_idx的操作，这个地方是为了保证hint_idx指向最低的空闲页，因为在进行分配的时候，boot allocator是保证从最低的空闲页开始分配
3.bootmem allocator分配内存
bootmem allocator分配内存相对于前面的操作来说要复杂一些，这里面主要考虑的一个问题就是内存碎片。设我们的页面大小为4KB,假如我们上一次分配内存的范围是从第4个页面开始到第8个页面的2KB处，而这次要求分配的起始地址处于第九个页面，如果从第九个页面开始分配的话，那么至少会产生2KB的内存碎片，这样无疑会产生大量的浪费。这也是为什么我们之前介绍的bootmem关键数据结构中引入last_end_off这个变量，它记录了上次分配的末端地址离页尾的偏移，在我们这个例子中该值为2KB，那么如果这次我们从第9个页面开始分配，我们就要考虑将这2KB整合到这次分配中去。
分配内存的核心函数是alloc_bootmem_core()，具体代码如下：
static void * __init alloc_bootmem_core(struct bootmem_data *bdata, unsigned long size, unsigned long align, unsigned long goal, unsigned long limit) { unsigned long fallback = 0; unsigned long min, max, start, sidx, midx, step; bdebug("nid=%td size=%lx [%lu pages] align=%lx goal=%lx limit=%lx\n", bdata - bootmem_node_data, size, PAGE_ALIGN(size) >> PAGE_SHIFT, align, goal, limit); BUG_ON(!size); /*检测size*/ BUG_ON(align & (align - 1)); /*检测对齐数是否为2的指数幂*/ BUG_ON(limit && goal + size > limit); /*如果limit不为0则检测goal+size是否超过limit*/ if (!bdata->node_bootmem_map) return NULL; /*得到该节点的最小最大低端内存页框号*/ min = bdata->node_min_pfn; max = bdata->node_low_pfn; /*将goal和limit从地址转化为页框号*/ goal >>= PAGE_SHIFT; limit >>= PAGE_SHIFT; if (limit && max > limit) max = limit; if (max <= min) return NULL; /*设定步进，以页面为单位*/ step = max(align >> PAGE_SHIFT, 1UL); /*确定起始页框*/ if (goal && min < goal && goal < max) start = ALIGN(goal, step); else start = ALIGN(min, step); /*确定起始页框和最大页框的偏移量*/ sidx = start - bdata->node_min_pfn; midx = max - bdata->node_min_pfn; if (bdata->hint_idx > sidx) { /*sidx小于hint_idx的话则要下调至hint_idx对齐后的结果*/ /* * Handle the valid case of sidx being zero and still * catch the fallback below. */ fallback = sidx + 1; sidx = align_idx(bdata, bdata->hint_idx, step); } while (1) { int merge; void *region; unsigned long eidx, i, start_off, end_off; find_block: sidx = find_next_zero_bit(bdata->node_bootmem_map, midx, sidx); /*找到下一个0位作为起始地址*/ sidx = align_idx(bdata, sidx, step); /*按step进行对齐*/ eidx = sidx + PFN_UP(size); if (sidx >= midx || eidx > midx) break; for (i = sidx; i < eidx; i++) if (test_bit(i, bdata->node_bootmem_map)) { /*遇到了保留位，则表明无法找到一块连续的空闲区域*/ sidx = align_idx(bdata, i, step); /*调整sidx*/ if (sidx == i) sidx += step; goto find_block; /*重新开始检索bitmap*/ } /*如果 1.上次分配的PAGE还有剩余的空间 2.PAGE_SIZE-1>0 3.上次分配的PAGE是在这次要求分配的PAGE的相邻并在前面*/ if (bdata->last_end_off & (PAGE_SIZE - 1) && PFN_DOWN(bdata->last_end_off) + 1 == sidx) start_off = align_off(bdata, bdata->last_end_off, align);/*start_off从上次的PAGE剩余处开始,取对齐后的结果,将上次分配的页面剩余的部分整合到这次分配的内存中来*/ else start_off = PFN_PHYS(sidx);/*不满足上述条件，则从要求的起始PAGE开始*/ merge = PFN_DOWN(start_off) < sidx; /*确定merge的值为0或1*/ end_off = start_off + size; /*重新确定last_end_off和hint_idx*/ bdata->last_end_off = end_off; bdata->hint_idx = PFN_UP(end_off); /* * Reserve the area now: */ if (__reserve(bdata, PFN_DOWN(start_off) + merge, /*保留相关的区域*/ PFN_UP(end_off), BOOTMEM_EXCLUSIVE)) BUG(); region = phys_to_virt(PFN_PHYS(bdata->node_min_pfn) + /*得到起始地址的虚拟地址*/ start_off); memset(region, 0, size);/*将申请到的区域清空*/ /* * The min_count is set to 0 so that bootmem allocated blocks * are never reported as leaks. */ kmemleak_alloc(region, size, 0, 0); return region; } if (fallback) { sidx = align_idx(bdata, fallback - 1, step); fallback = 0; goto find_block; } return NULL; }
4.bootmem allocator的销毁
bootmem allocator销毁后，其空闲的内存将交由buddy system接管，核心函数为free_all_bootmem_core()
static unsigned long __init free_all_bootmem_core(bootmem_data_t *bdata) { int aligned; struct page *page; unsigned long start, end, pages, count = 0; if (!bdata->node_bootmem_map)/*bitmap不存在，表示该节点已经释放*/ return 0; /*获得低端内存的起始页框和终止页框*/ start = bdata->node_min_pfn; end = bdata->node_low_pfn; /* * If the start is aligned to the machines wordsize, we might * be able to free pages in bulks of that order. */ aligned = !(start & (BITS_PER_LONG - 1));/*得到start是否为2的指数幂*/ bdebug("nid=%td start=%lx end=%lx aligned=%d\n", bdata - bootmem_node_data, start, end, aligned); /************************************* * 第一步:释放空闲页 * *************************************/ while (start < end) { unsigned long *map, idx, vec; map = bdata->node_bootmem_map; idx = start - bdata->node_min_pfn; vec = ~map[idx / BITS_PER_LONG];/*将idx所处的long字段的位图部分进行取反*/ /*如果:1.起始地址是2的整数幂 2.该long字段的位图全为0，即空闲状态 3.start+BITS_PER_LONG未超过范围*/ if (aligned && vec == ~0UL && start + BITS_PER_LONG < end) { int order = ilog2(BITS_PER_LONG);/*得到Long的长度为2的多少次幂*/ __free_pages_bootmem(pfn_to_page(start), order);/*直接将整块内存释放*/ count += BITS_PER_LONG; } else {/*否则只能逐页释放*/ unsigned long off = 0; while (vec && off < BITS_PER_LONG) {/*判断该字段内的空闲页是否已经释放完*/ if (vec & 1) { /*vec的最低位为1，也就是说start+off对应的page为空闲*/ page = pfn_to_page(start + off); __free_pages_bootmem(page, 0); count++; } vec >>= 1; off++; } } start += BITS_PER_LONG; } /***************************** * 第二步:释放保存bitmap的页 * ******************************/ page = virt_to_page(bdata->node_bootmem_map);/*得到bitmap起始地址的所属页*/ pages = bdata->node_low_pfn - bdata->node_min_pfn; pages = bootmem_bootmap_pages(pages);/*得到bitmap的大小，以页为单位*/ count += pages; while (pages--)/*逐页释放*/ __free_pages_bootmem(page++, 0); bdebug("nid=%td released=%lx\n", bdata - bootmem_node_data, count); return count;/*返回释放的页框数*/ }