Linux内存管理-页描述符与内存管理区

页描述符

我们都知道Linux的内存是分页的，在Linux 中每页的大小是4KB（大部分情况下），Linux需要记录下来每一页的状态，于是很显然地，需要一些额外的内存去存储这些状态信息，对于每一页内存，linux 需要用32个字节去管理(可能与最新版的linux有所出入），称之为页描述符，这些页描述符加起来大概占用不到整个内存的1%。

页描述符具体都干了什么?

从最初的Linux版本发展到现在，这个页描述符已经变得相当复杂,下面是一个简化版本

129 typedef struct pglist_data {

130    zone_t node_zones[MAX_NR_ZONES];

131    zonelist_t node_zonelists[GFP_ZONEMASK+1];

132    int nr_zones;

133    struct page *node_mem_map;

134    unsigned long *valid_addr_bitmap;

135    struct bootmem_data *bdata;

136    unsigned long node_start_paddr;

137    unsigned long node_start_mapnr;

138    unsigned long node_size;

139    int node_id;

140    struct pglist_data *node_next;

141 } pg_data_t;

---

这里面最重要的两个字段是

count:

代表该页的引用计数器，如果等于-1，则代表相应的页框是空闲，可以被分配给任意一个进程或者内核本身，如果大于0则代表已经被分配给了一个或者多个进程

flags:

描述该内存页的状态，标志说明

PG_locked页被锁定

PG_error在传输过程中发生I/O错误

PG_referenced刚刚访问过的页

PG_uptodate在完成读操作后置位

等等..

内存管理区

在实际的计算机体系结构中，Linux并不能对所有的内存一视同仁，因为现有的硬件约束不允许，主要来自以下两点

1、ISA总线的DMA直接内存存取处理器有严格的限制，只能对RAM的前16M寻址(因为ISA的总线只有16位)

2、在具有大容量RAM的现代32位计算机中，CPU不能 访问所有的物理内存，因为线性地址太小 

为了应对这两种限制，Linux把每个内存节点的物理内存划分为3个管理区

1、ZONE_DMA，包含低于16M的内存页框

2、ZONE_NORMAL，包含低于16M且低于896M的内存页框

3、ZONE_HIGHMEM，包含高于896M的内存页框

想必有一个问题是无法避免的，为什么ZONE_NORMAL只包含到896M的内存？

我的个人理解是，Linux把地址空间分为用户地址空间和内核地址空间，在4GB的LInux机器上3GB用来做用户地址空间，1GB用来做内核地址空间(大部分情况下是这样，可以配置)，内核有时需要访问用户地址空间中的物理地址，于是内核划分128M来用于映射用户地址空间的地址，如此一来1GB-128M=896MB。

这种情况在64位系统上有所不同，在64位系统上，LInux也只使用其中的48位用来寻址，也就是说, 总的虚拟地址空间为256TB( 2^48 )。这其中0000000000000000 - 00007fffffffffff(128TB)为用户空间, ffff800000000000 - ffffffffffffffff(128TB)为内核空间，可以看到内核空间之大，已经可以足够映射所有的物理内存了，所以在X86-64的Linux系统上，ZONE_HIGHMEM不存在。

还有一个名词叫做内存节点，这个东西很不常用，主要是有一种比较诡异的内存模型称之为Non-Uniform Memory Access (NUMA)，在这种内存模型下，CPU对不同地址寻址的性能可能会不尽相同，LInux为了支持该内存模型，提出了内存节点的概念，把性能相近的地址范围划分在一个内存节点中。整个内存的数据结构如下图所示：

pg_data_t其实就是一个内存节点，在NUMA的机器上可能会有多个，在UMA（Uniform Memory Access）的机器上只有一个，NUMA至少我是没见过。

node_zones其实指的就是内存节点中的物理内存划分了，也就是我们上面讲的那些。

struct page就是页描述符

如有错误请指正。

参考：

《深入理解LInux内核》第三版

https://www.kernel.org/doc/gorman/html/understand/understand005.html

http://adam8157.info/blog/2012/07/linux-x86-64-vm/