物理内存管理之zone详解
上一次说过了物理内存由node，zone，page三级结构来描述。而node是根据当前的系统是NUMA还是UMA系统。假设我们当前是UMA系统架构，则只有一个node。
我们本节则重点学习下ZONE，重点是ZONE的数据结构，其中就可以看到ZONE中是如何管理我们page的，就会看到buddy分配器。
struct zone {
unsigned long _watermark[NR_WMARK];
unsigned long watermark_boost;
unsigned long nr_reserved_highatomic;
long lowmem_reserve[MAX_NR_ZONES];
const char *name;
struct free_area free_area[MAX_ORDER];
unsigned long flags;
}- 水位： 每个zone都有三个水位值
- WMARK_MIN： 最低水位，代表内存显然已经不够用了。
- WMARK_LOW：低水位，代表内存已经开始吃紧，需要启动回收页内核线性kswapped去回收内存
- WMARK_HIGH：高水位，代表内存还是足够的。
enum zone_watermarks {
WMARK_MIN,
WMARK_LOW,
WMARK_HIGH,
NR_WMARK
};- lowmem_reserve: 这个zone区域保留的内存，当系统内存出现不足的时候，系统就会使用这些保留的内存来做一些操作，比如使用保留的内存进程用来可以释放更多的内存
- free_area：用于维护空闲的页，其中数组的下标对应页的order数。最大order目前是11。free_are的结构体
struct free_area {
struct list_head free_list[MIGRATE_TYPES];
unsigned long nr_free;
};- free_list：用于将各个order的free page链接在一起
- nr_free: 代表这个order中还有多个空闲page
-
而每一个order中又根据迁移类型分成了几组
enum migratetype {
MIGRATE_UNMOVABLE,
MIGRATE_MOVABLE,
MIGRATE_RECLAIMABLE,
#ifdef CONFIG_CMA
MIGRATE_CMA,
#endif
MIGRATE_PCPTYPES, /* the number of types on the pcp lists */
MIGRATE_HIGHATOMIC = MIGRATE_PCPTYPES,
#ifdef CONFIG_MEMORY_ISOLATION
MIGRATE_ISOLATE, /* can't allocate from here */
#endif
MIGRATE_TYPES
};- MIGRATE_UNMOVABLE： 不可移动的页
- MIGRATE_MOVABLE：可以移动的页，当出现内存碎片的时候，就可以移动此页，腾出更多连续的空间
- MIGRATE_RECLAIMABLE：可以回收的页
- MIGRATE_CMA：用于专门CMA申请的页
- MIGRATE_PCPTYPES：per-cpu的使用的
- MIGRATE_HIGHATOMIC：高阶原子分配
- MIGRATE_ISOLATE：隔离，不能从此分配页
如果用一张图表示zone结构体之间的联系的话，就看下张图
可以通过我当前的设备，查看page的信息cat /proc/pagetypeinfo
root:/ # cat /proc/pagetypeinfo
Page block order: 10
Pages per block: 1024
Free pages count per migrate type at order 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Node 0, zone Normal, type Unmovable 801 290 24 5 4 7 2 0 1 1 0
Node 0, zone Normal, type Movable 288 296 69 18 87 34 14 5 1 1 55
Node 0, zone Normal, type Reclaimable 0 3 1 1 1 1 0 1 1 0 0
Node 0, zone Normal, type CMA 12 6 5 3 3 2 1 3 2 2 57
Node 0, zone Normal, type HighAtomic 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Node 0, zone Normal, type Isolate 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Node 0, zone Movable, type Unmovable 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Node 0, zone Movable, type Movable 1980 1089 913 347 35 8 4 2 3 0 653
Node 0, zone Movable, type Reclaimable 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Node 0, zone Movable, type CMA 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Node 0, zone Movable, type HighAtomic 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Node 0, zone Movable, type Isolate 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Number of blocks type Unmovable Movable Reclaimable CMA HighAtomic Isolate
Node 0, zone Normal 535 498 49 72 0 0
Node 0, zone Movable 0 768 0 0 0 0
Number of mixed blocks Unmovable Movable Reclaimable CMA HighAtomic Isolate
Node 0, zone Normal 0 15 1 0 0 0
Node 0, zone Movable 0 0 0 0 0 0可以很清晰的看到各个order中不同类型，不同zone，page的剩余情况。当然也可以从cat /proc/buddyinfo看各个page的剩余情况
root:/ # cat /proc/buddyinfo
Node 0, zone Normal 338 355 130 37 99 43 17 9 5 4 112
Node 0, zone Movable 1604 1204 912 348 35 8 4 2 3 0 653随着时间的推移，order值最大的page就会慢慢的分解开，变为更小的order的page。这时候当申请一个连续的大page都没有的时候，就会做碎片整理操作
当然了我们的zone，也可以通过cat /proc/zoneinfo去查看zone的详细信息的
root:/ # cat /proc/zoneinfo
Node 0, zone Normal
pages free 126204
min 1251
low 9254
high 9566
spanned 1308544
present 1180543
managed 1136476
protection: (0, 24576)
nr_free_pages 126204
nr_zone_inactive_anon 984
nr_zone_active_anon 61238
nr_zone_inactive_file 423539
nr_zone_active_file 122889
nr_zone_unevictable 987
nr_zone_write_pending 288
nr_mlock 987
nr_page_table_pages 13969
nr_kernel_stack 36784
nr_bounce 0
nr_zspages 0
nr_free_cma 60532
Node 0, zone Movable
pages free 680267
min 866
low 6404
high 6620
spanned 786432
present 786432
managed 786432
protection: (0, 0)
nr_free_pages 680267
nr_zone_inactive_anon 0
nr_zone_active_anon 104777
nr_zone_inactive_file 0
nr_zone_active_file 0
nr_zone_unevictable 121
nr_zone_write_pending 0
nr_mlock 121
nr_page_table_pages 0
nr_kernel_stack 0
nr_bounce 0
nr_zspages 0
nr_free_cma 0可以看到我们当前只有一个node，两个zone分别为NORAML和Movable，以及各个水位的详细信息。
而我们zone是通过struct pglist_data管理的，pglist_date结构每个node是对应一个的，在numa机器上每个node对应一个pglist_data结构体，在Uma机器上只有一个pglist_data结构来描述整个内存
/*
* On NUMA machines, each NUMA node would have a pg_data_t to describe
* it's memory layout. On UMA machines there is a single pglist_data which
* describes the whole memory.
*
* Memory statistics and page replacement data structures are maintained on a
* per-zone basis.
*/
typedef struct pglist_data {
struct zone node_zones[MAX_NR_ZONES];
struct zonelist node_zonelists[MAX_ZONELISTS];
int nr_zones;
/*
* This is a per-node reserve of pages that are not available
* to userspace allocations.
*/
unsigned long totalreserve_pages;
/* Fields commonly accessed by the page reclaim scanner */
struct lruvec lruvec;
unsigned long flags;
} pg_data_t;- node_zone: 描述此node下存在几个zone
- node_zonelist: 备用zone的list，当首选的zone去分配失败后，就会去备用zone去查找可用的page
- totalreserve_page: 保留的总共的page
- lruvec: 所有申请的page都会加到lru链表中，用于回收page时使用的
其中node_zonelist中有两种类型，分别为ZONELIST_FALLBACK和ZONELIST_NOFALLBACK，在UMA系统中只存在一个zonelist，就是ZONELIST_FALLBACK
LRU链表中会根据不同的LRU类型分为不同的列表，常见的有匿名活动页，匿名低活动页，活动的文件页，低活动的文件页等。
通过pglist_data结构就可以完全的描述一个内存的layout了。
- 通过pglist_data知道存在几个zone，每个zone中又存在freelist来表示各个order空闲的page，以及各个page是属于什么迁移类型的
- 当申请page的时候根据zone中的水位去申请，当内存不足的时候，就会开启内核swapd来回收内存
- 每次申请的page都会挂到lru链表中，当出现内存不足的时候，就会根据lru算法找出那些page最近很少使用，然后释放