linux内存管理笔记(十九）----内存组织

上一章我们梳理了Node, Zone, Page Frame的整个流程，本章就来整理其关系和数据结构之间的关系。

1. 基本概念

NUMA(Non-Uniform Memory Access，非统一内存访问)和UMA(Uniform Memory Access，统一内存访问):

• NUMA是从处理器对内存访问速度不同的结构
• UMA是处理器与所有内存的访问速度相同的结构

结点Node：

• 从1个CPU访问速度相同的内存集合
• 每个CPU对应一个本地物理内存
• 在内核中用pg_data_t类型，表示节点的结构体成为节点描述符

ZONE:

• 节点中具有相同属性的区域
• 内核使用struct zone结构体管理

页帧Page：

• ZONE中管理物理内存的最小单位称为页帧
• 页帧在Linux中由page结构体管理，通过mem_map全局数据访问

Linux采用Node、Zone和页三级结构来描述物理内存的，如图所示

2. 结点

Linux采用一个struct pg_data_t结构体来描述系统的内存，每一个Node都对应一个struct pglist_data，系统中每个节点都挂接在一个pgdat_list列表中，对于NUMA系统中一个，使用的全局变量struct pglist_data __refdata contig_page_data。

下面就对结构体提的主要域进行说明

结构体成员变量	说明
node_zones	该结点的zone类型，一般包括ZONE_HIGHMEM、ZONE_NORMAL和ZONE_DMA三类，包含了节点中各个内存域的数据结构
node_zonelists	指定了备用节点及其内存域列表，以便在当前结点没有可用空间时，在备用结点分配内存
nr_zones	该结点的 zone 个数，可以从 1 到 3，但并不是所有的结点都需要有 3 个 zone
node_mem_map	它是 struct page 数组的第一页，该数组表示结点中的每个物理页框。根据该结点在系统中的顺序，它可在全局 mem_map 数组中的某个位置
node_start_pfn	当前NUMA节点第一页帧逻辑编号。在UMA总是0.
node_present_pages	总共可用的页面数
node_spanned_pages	总共的页面数，包括有空洞的区域
kswapd	页面回收进程

3. ZONE

每个结点的内存被分为多个块，称为zones，它表示内存中一段区域。一个zone用struct_zone_t结构描述，zone的类型主要有ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和ZONE_HIGHMEM。ZONE_DMA位于低端的内存空间，用于某些旧的ISA设备，ISA总线的直接内存存储DMA，只能对RAM的前16MB进行寻址。ZONE_NORMAL的内存直接映射到Linux内核线性地址空间的高端部分，许多内核操作只能在ZONE_NORMAL中进行。因此对于内核来说, 不同范围的物理内存采用不同的管理方式和映射方式，Linux使用enum zone_type来标记内核所支持的所有内存区域

enum zone_type
{
#ifdef CONFIG_ZONE_DMA
    ZONE_DMA,
#endif
#ifdef CONFIG_ZONE_DMA32
    ZONE_DMA32,
#endif
    ZONE_NORMAL,
#ifdef CONFIG_HIGHMEM
    ZONE_HIGHMEM,
#endif
    ZONE_MOVABLE,
#ifdef CONFIG_ZONE_DEVICE
    ZONE_DEVICE,
#endif
    __MAX_NR_ZONES
}

其定义如下表所示

管理内存域	描述
ZONE_DMA	标记了适合DMA的内存域.该区域的长度依赖于处理器类型.这是由于古老的ISA设备强加的边界. 但是为了兼容性,现代的计算机也可能受此影响
ZONE_DMA32	标记了使用32位地址字可寻址,适合DMA的内存域，在32位系统中,本区域是空的, 即长度为0MB,在Alpha和AMD64系统上,该内存的长度可能是从0到4GB
ZONE_NORMAL	标记了可直接映射到内存段的普通内存域.这是在所有体系结构上保证会存在的唯一内存区域
ZONE_HIGHMEM	标记了超出内核虚拟地址空间的物理内存段,因此这段地址不能被内核直接映射
ZONE_MOVABLE	内核定义了一个伪内存域ZONE_MOVABLE,在防止物理内存碎片的机制memory migration中需要使用该内存域.供防止物理内存碎片的极致使用
ZONE_DEVIC	为支持热插拔设备而分配的Non Volatile Memory非易失性内存

Zone是用struct zone_t描述的，它跟踪页框使用、空闲区域和锁等信息，结构体中主要域说明如下

结构体成员变量	说明
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
lowmem_reserve	zone中预留的内存，用于一些无论如何都不能失败的关键性内存分配
zone_pgdat	执行所属的pglist_data
pageset	Per-CPU上的页面，减少自旋锁的争用
zone_start_pfn	ZONE的起始内存页面帧号
managed_pages	被Buddy System管理的页面数量
spanned_pages	ZONE中总共的页面数，包含空洞的区域
present_pages	ONE里实际管理的页面数量
struct free_area free_area[MAX_ORDER];	管理空闲页面的列表

当系统中可用的内存比较少时，kswapd将被唤醒，并进行页交换。如果需要内存的压力非常大，进程将同步释放内存。每个zone有三个阙值，成为pages_low/pages_min/pages_high，用于跟踪该zone的内存压力。

• pages_min的页框数是由内存初始化free_area_init_core函数，根据zone内页框的比例计算，最小为20页，最大一般为255页
• 当到达pages_min时，说明页面数非常紧张，分配页面的动作和kswapd线程同步运行
• 当空闲也的数目达到pages_low时，说明页面刚开始紧张，则kswapd线程将被唤醒，并开始释放回收页面
• 当达到pages_high时，说明内存页面数很充足，不需要回收，kswapd线程将重新休眠，通常这个数值是page_min的3倍

4. page

每个物理页框都需要一个对应的page结构来进行管理，记录分配状态，分配和回收，互斥以及同步存在。 因为内核会为每一个物理页帧创建一个struct page的结构体，因此要保证page结构体足够的小，否则仅struct page就要占用大量的内存。出于节省内存的考虑，struct page中使用了大量的联合体union。

5. 总结

本章梳理了Node, Zone, Page Frame各个数据结构的成员变量和关系，对于Linux中管理内存的各个结构体之间的关系图如下图所示