Linux页框管理

在前面的博文里，我们讲解了基于80x86体系的Linux内核分段和分页机制，并详细地讨论了Linux的内存布局。有了这些基本概念以后，我们就来详细讨论内核如何动态地管理那些可用的内存空间。

 

对于80386这种32位的处理器结构，Linux采用4KB页框大小作为标准的内存分配单元。内核必须记录每个页框的当前状态，例如，区分哪些页框包含的是属于进程的页，而哪些页框包含的是内核代码或内核数据。内核还必须能够确定动态内存中的页框是否空闲，如果动态内存中的页框不包含有用的数据，那么这个页框就是空闲的。在以下情况下页框是不空闲的：包含用户态进程的数据、某个软件高速缓存的数据、动态分配的内核数据结构、设备驱动程序缓冲的数据、内核模块的代码等等。

 

内核用数据结构page描述一个页框的状态信息，所有的页描述符存放在全局mem_map数组中，其数组的下标为页框号（pfn）。因为每个描述符长度为32字节，所以mem_map所需要的空间略小于整个RAM的1%。

 

那么一个页描述符怎样与一个占据4k的页框相联系（映射）呢？有了mem_map数组，这个问题就很简单了。因为如果知道了page数据的地址pd，用pd去减去mem_map就得到了pd的页框号pfn。那么这个物理页的物理地址是physAddr = pfn << PAGE_SHIFT  。

在得知该物理页的物理地址是physAddr后，就可以视physAddr的大小得到它的虚拟地址：
1.physAddr < 896M  对应虚拟地址是 physAddr + PAGE_OFFSET   (PAGE_OFFSET=3G)
2.physAddr >= 896M 对应虚拟地址不是静态映射的，通过内核的高端虚拟地址映射得到一个虚拟地址。

 

在得到该页的虚拟地址之后，内核就可以正常访问这个物理页了。

 

内核提供一个virt_to_page(addr)宏来产生线性地址addr对应的页描述符地址。pfn_to_page(pfn)宏产生与页框号pfn对应的页描述符地址。相反，也提供page_to_pfn(pg)宏来产生页描述符对应的页的页框号pfn。注意，针对80x86结构，上述宏并不是直接通过men_map数组来确定页框号的，而是通过内存管理区的zone_mem_map来确定的，不过原理是一样的：

#define page_to_pfn(pg)       /
({         /
 struct page *__page = pg;     /
 struct zone *__zone = page_zone(__page);   /
 (unsigned long)(__page - __zone->zone_mem_map)   /
  + __zone->zone_start_pfn;    /
})

 

这里千万要注意！不要混淆一个概念。这里的physAddr虽然表示物理地址，但是并不能说明该地址的数据就一定存在于物理内存中。那么如何判断这个页到底在不在内存中呢？你看，前面的知识就用到了——分页机制。也就是说，如果这个页因为各种各样五花八门的原因被交换出去了，那么它对应的页的Present标志就为0。这里就牵涉到缺页异常了，要深入了解，请关注笔者后面的博文。

 

在这里我们只需要对数据结构page详细讨论以下两个字段：
1、_count：页的引用计数器。如果该字段为-1，则相应页框空闲，并可被分配给任一进程或内核本身；如果该字段的值大于或等于0，则说明页框被分配给一个或多个进程，或用于存放一些内核数据结构。page_count()函数返回_count加1后的值，也就是该页的使用者的数目。
2、flags：包含多达32个用来描述页框状态的标志。对于每个PG_xyz标志，内核都定义了操纵其值的一些宏。通常，PageXyz宏返回标志的值，而SetPageXyz和ClearPageXyz宏分别设置和清除相应的位。

 

标志名	含义
PG_locked	页被锁定，例如，在磁盘I/O操作中涉及的页。
PG_error	在传输页时发生错误
PG_referenced	刚刚访问过的页
PG_uptodate	在完成读操作后置位，除非发生磁盘I/O 错误
PG_dirty	页已经被修改
PG_lru	页在活动或非活动页链表中
PG_active	页在活动页链表中
PG_slab	包含在slab 中的页框
PG_highmem	页框属于ZONE_HIGHMEM 管理区
PG_checked	由一些文件系统（如Ext2 和Ext3）使用的标志
PG_arch_1	在80x86 体系结构上没有使用
PG_reserved	页框留给内核代码或没有使用
PG_private	页描述符的private字段存放了有意义的数据
PG_writeback	正在使用writepage方法将页写到磁盘上
PG_nosave	系统挂起 / 唤醒时使用
PG_compound	通过扩展分页机制处理页框
PG_swapcache	页属于对换高速缓存
PG_mappedtodisk	页框中的所有数据对应于磁盘上分配的块
PG_reclaim	为回收内存对页已经做了写入磁盘的标记
PG_nosave_free	系统挂起 / 恢复时使用

 

系统是怎么为进程或内核分配一个内存空间，或者说怎么给他们分配一个线性页描述符所对应线性地址的页面呢？这个需要借助内核的分区页框分配器和伙伴系统算法。在讨论这些细节之前，先介绍一些必要的概念。

 

1 非统一内存访问（NUMA）架构

 

Linux2.6支持非统一内存访问（NUMA）模型，在这种模型中，给定CPU对不同内存单元的访问时间可能不一样。系统的物理内存被划分为几个节点（node）。在一个单独的节点内，任一给定CPU访问页面所需要的时间都是相同的，而对于不同的CPU，这个时间就不同。对每个CPU而言，内核都试图把耗时节点的访问次数减到最少，这就必须要将那些CPU最常引用的内核数据结构的存放位置选好。

 

每个节点由一个类型为pg_data_t的描述符表示，所有节点的描述符存放在一个单向链表中，它的第一个元素由内核全局变量pgdat_list指向。在x86体系中，即使是多核，内存访问时间也是相同的，所以不需要NUMA，但是内核还是使用节点，不过，这只是一个单独的节点，它包含了系统中所有的物理内存。因此，pgdat_list变量指向一个链表，此链表只有一个元素组成的，这个元素就是节点0描述符，它被存放在contig_page_data变量中。

 

pg_data_t描述符中要注意到的三个字段分别是node_zones、node_zonelists、node_mem_map，分别是zone_t[]、zonelist_t[]和page类型。前两个是用来描述内存管理区的，下面马上要谈到；node_mem_map是本节点所有页的页描述符数组。内核将这三个字段放在里边，就是为内存区、页框建立一些列的联系。

 

2 内存管理区

 

由于Linux内核必须处理80x86体系结构中的两种硬件约束：
（1）ISA总线的直接内存存取（DMA）处理器有一个严格的限制：他们只能对RAM的前16MB寻址。
（2）在具有较大容量RAM的现代32位计算机中，CPU不能直接访问所有的物理内存，因为线性地址空间太小。

 

为了应对这两种限制，Linux2.6把每个内存节点的物理内存划分成3个管理区（zone）。在80x86的UMA体系结构中的管理区分为：
ZONE_DMA：包含低于16MB的内存页框
ZONE_NORMAL：包含高于16MB而低于896MB的内存页框
ZONE_HIGHMEM：包含从896MB开始高于896MB的内存页框

 

ZONE_DMA和ZONE_NORMAL区包含内存“常规”页框，通过把他们线性地址映射到线性地址空间的第4个GB，内核就可以直接进行访问。ZONE_HIGHMEM区包含的内存页不能由内核直接访问，尽管它们也可以通过高端内存内核映射，线性映射到线性地址空间的第4个GB。

 

每个内存管理区都有自己的描述符zone_t，其字段中很多用于回收页框时使用。其实每个页描述符page都有到内存节点和到内存节点管理区的链接。那我们为啥看不到呢，原因是为了节省空间，这些链接的存放方式和典型的指针不同，是被编码成索引存放在flags字段的高位。

 

 zone_t字段如下：

类型	名称	说明
unsigned long	free_pages	管理区中空闲页的数量
unsigned long	pages_min	管理区中保留页的数目
unsigned long	pages_low	回收页框使用的下界；同时也被管理区分配器作为阈值使用
unsigned long	pages_high	回收页框使用的上界；同时也被管理区分配器作为阈值使用
unsigned long []	lowmem_reserve	指明在处理内存不足的临界情况下每个管理区必须保留的页框数目
struct per_cpu_pageset[]	pageset	数据结构用于实现单一页框的特殊高速缓存
spinlock_t	lock	保护该描述符的自旋锁
struct free_area []	free_area	标识出管理区中的空闲页框块
spinlock_t	lru_lock	活动以及非活动链表使用的自旋锁
struct list head	active_list	管理区中的活动页链表
struct list head	inactive_list	管理区中的非活动页链表
unsigned long	nr_scan_active	回收内存时需要扫描的活动页数目
unsigned long	nr_scan_inactive	回收内存时需要扫描的非活动页数目
unsigned long	nr_active	管理区的活动链表上的页数目
unsigned long	nr_inactive	管理区的非活动链表上的页数目
unsigned long	pages_scanned	管理区内回收页框时使用的计数器
int	all_unreclaimable	在管理区中填满不可回收页时此标志被置位
int	temp_priority	临时管理区的优先级（回收页框时使用）
int	prev_priority	管理区优先级，范围在12 和0 之间（由回收页框算法使用）
wait_queue_head_t *	wait_table	进程等待队列的散列表，这些进程正在等待管理区中的某页
unsigned long	wait_table_size	等待队列散列表的大小
unsigned long	wait_table_bits	等待队列散列表数组大小，值为2order
struct pglist_data *	zone_pgdat	内存节点
struct page *	zone_mem_map	指向管理区的第一个页描述符的指针
unsigned long	zone_start_pfn	管理区第一个页框的下标
unsigned long	spanned_pages	以页为单位的管理区的总大小，包括洞
unsigned long	present_pages	以页为单位的管理区的总大小，不包括洞
char *	name	指针指向管理区的传统名称：“DMA”，“NORMAL”或“HighMem”

 

实际上，刻画页框的标志的数目是有限的，因此保留flags字段的最高位来编码内存节点和管理区是绰绰有余的。Linux提供page_zone()函数用来接收一个页描述符的地址作为它的参数；它读取该描述符中的flags字段的最高位，然后通过查看zone_table数组来确定相应管理区描述符的地址。顺便提一下，在系统启动时用，内核将所有内存节点的所有管理区描述符的地址放到这个zone_table数组里边。

 

当内核调用一个内存分配函数时，必须指明请求页框所在的管理区。内核通常指明它愿意使用哪个管理区。为了在内存分配请求中指定首选管理区，内核使用zonelist数据结构，这就是管理区描述符指针数组，在80x86中只有三个zone，所以zonelist数据结构中指向这三个zone的指针按照一定规则排列。如图，则zonelist数组就是这三个zone的排列组合。

例如，要分配一个用来做DMA的页框，则在指定zonelist数组中的某个zonelist元素中获得首选的zone，应该是ZONE_DMA，如果该区空间已使用完，就选ZONE_NORMA区，随后再是ZONE_HIGHMEM。