linux内存伙伴算法(初始化内存域和数据结构）

体系结构相关代码需要在启动期间建立以下信息：

1.系统中各个内存域的页帧边界，保存在max_zone_pfn中

2.个结点页帧的分配情况，保存在全局变量early_node_map中。

从内核版本2.6.10开始提供一个通用的框架，用于将上述信息转换为伙伴系统预期的 结点和内存域数据结构。在这以前，各个体系结构必须自行建立相关结构。现在，体系结构相关代码只需要建立前述的简单结构，将繁重的工作留给 free_area_init_nodes即可。图1给出了该过程概述，图2给出了free_area_init_nodes的代码流程图。

                                                                                        图1：free_area_init_nodes过程概述

                                          图2：free_area_init_nodes代码流程图

free_area_init_nodes的源代码的详细分析如下：

void __init free_area_init_nodes(unsigned long *max_zone_pfn)
{
    unsigned long nid;
    enum zone_type i;

    /* Sort early_node_map as initialisation assumes it is sorted */
    sort_node_map();//排序使得后续的任务稍微容易些，排序本身并不特别复杂

    /* Record where the zone boundaries are */
    memset(arch_zone_lowest_possible_pfn, 0,
                sizeof(arch_zone_lowest_possible_pfn));//全局数组arch_zone_lowest_possible_pfn用来存储各个内存域可使用的最低内存页帧编号
    memset(arch_zone_highest_possible_pfn, 0,
            sizeof(arch_zone_highest_possible_pfn));//全局数组arch_zone_highest_possible_pfn用来存储各个内存域可使用的最高内存页帧编号
    arch_zone_lowest_possible_pfn[0] = find_min_pfn_with_active_regions();//辅助函数find_min_pfn_with_active_regions用于找到注册的最低内存域中可用的编号最小的页帧

    arch_zone_highest_possible_pfn[0] = max_zone_pfn[0];//max_zone_pfn记录了各个内存域包含的最大页帧号
    for (i = 1; i < MAX_NR_ZONES; i++) {//依次遍历，确定各个内存域的边界
        if (i == ZONE_MOVABLE)//由于ZONE_MOVABLE是一个虚拟内存域，不与真正的硬件内存域关联，该内存域的边界总是设置为0，如后面的代码所示
            continue;
        arch_zone_lowest_possible_pfn[i] =
            arch_zone_highest_possible_pfn[i-1];//第n个内存域的最小页帧，即前一个（第n-1个）内存域的最大页帧
        arch_zone_highest_possible_pfn[i] =
            max(max_zone_pfn[i], arch_zone_lowest_possible_pfn[i]);//不出意外，当前内存域的最大页帧由max_zone_pfn给出
    }
    arch_zone_lowest_possible_pfn[ZONE_MOVABLE] = 0;
    arch_zone_highest_possible_pfn[ZONE_MOVABLE] = 0;

    /* Find the PFNs that ZONE_MOVABLE begins at in each node */
    memset(zone_movable_pfn, 0, sizeof(zone_movable_pfn));
    find_zone_movable_pfns_for_nodes(zone_movable_pfn);//用于计算进入ZONE_MOVABLE的内存数量，详细分析见下文

    /* Print out the zone ranges */
    printk("Zone PFN ranges:\n");
    for (i = 0; i < MAX_NR_ZONES; i++) {//将各个内存域的最大、最小页帧号显示出来
        if (i == ZONE_MOVABLE)
            continue;
        printk("  %-8s %8lu -> %8lu\n",
                zone_names[i],
                arch_zone_lowest_possible_pfn[i],
                arch_zone_highest_possible_pfn[i]);
    }

    /* Print out the PFNs ZONE_MOVABLE begins at in each node */
    printk("Movable zone start PFN for each node\n");
    for (i = 0; i < MAX_NUMNODES; i++) {
        if (zone_movable_pfn[i])//对每个结点来说，zone_movable_pfn[node_id]表示ZONE_MOVABLE在movable_zone内存域中所取得内存的起始地址。内核确保这些页将用于满足符合ZONE_MOVABLE职责的内存分配
            printk("  Node %d: %lu\n", i, zone_movable_pfn[i]);
    }

    /* Print out the early_node_map[] */
    printk("early_node_map[%d] active PFN ranges\n", nr_nodemap_entries);
    for (i = 0; i < nr_nodemap_entries; i++)//显示各个内存域的分配情况
        printk("  %3d: %8lu -> %8lu\n", early_node_map[i].nid,
                        early_node_map[i].start_pfn,
                        early_node_map[i].end_pfn);

    /* Initialise every node */
    setup_nr_node_ids();
    for_each_online_node(nid) {//代码遍历所有的活动结点，并分别对各个结点调用free_area_init_node建立数据结构，该函数需要结点第一个可用的页帧作为一个参数，而find_min_pfn_for_node则从early_node_map数组提取该信息
        pg_data_t *pgdat = NODE_DATA(nid);
        free_area_init_node(nid, pgdat, NULL,
                find_min_pfn_for_node(nid), NULL);

        /* Any memory on that node */
        if (pgdat->node_present_pages)// 根据node_present_pages字段判断结点具有内存，则在结点位图中设置N_HIGH_MEMORY标志，该标志只表示结点上存在普通或高端 内存，因此check_for_regular_memory进一步检查低于ZONE_HIGHMEM的内存域中是否有内存，并据此在结点位图中相应地设 置N_NORMAL_MEMORY
            node_set_state(nid, N_HIGH_MEMORY);
        check_for_regular_memory(pgdat);
    }
}

free_area_init_node源代码详细分析：

void __meminit free_area_init_node(int nid, struct pglist_data *pgdat,
        unsigned long *zones_size, unsigned long node_start_pfn,
        unsigned long *zholes_size)
{
    pgdat->node_id = nid;
    pgdat->node_start_pfn = node_start_pfn;
    calculate_node_totalpages(pgdat, zones_size, zholes_size);//首先累计各个内存域的页数，计算结点中页的总数。对连续内存模型而言，这可以通过zone_sizes_init完成，但calculate_node_totalpages还考虑了内存空洞

    alloc_node_mem_map(pgdat);//分配了该节点的页面描述符数组[pgdat->node_mem_map数组的内存分配]

    free_area_init_core(pgdat, zones_size, zholes_size);//对该节点的每个区[DMA,NORMAL,HIGH]的的结构进行初始化
}

calculate_node_totalpages源代码详细分析：

static void __meminit calculate_node_totalpages(struct pglist_data *pgdat,
        unsigned long *zones_size, unsigned long *zholes_size)
{
    unsigned long realtotalpages, totalpages = 0;
    enum zone_type i;

    for (i = 0; i < MAX_NR_ZONES; i++)
        totalpages += zone_spanned_pages_in_node(pgdat->node_id, i,
                                zones_size);//累计计算各个内存域包含空洞的内存总页数
    pgdat->node_spanned_pages = totalpages;

    realtotalpages = totalpages;
    for (i = 0; i < MAX_NR_ZONES; i++)
        realtotalpages -=
            zone_absent_pages_in_node(pgdat->node_id, i,
                                zholes_size)//;以包含空洞的内存总页数累计减去各个内存域中空洞的数量，就可以得出实际可用的内存页数
    pgdat->node_present_pages = realtotalpages;
    printk(KERN_DEBUG "On node %d totalpages: %lu\n", pgdat->node_id,
                            realtotalpages);
}

alloc_node_mem_map源代码详细分析：

static void __init_refok alloc_node_mem_map(struct pglist_data *pgdat)
{
    /* Skip empty nodes */
    if (!pgdat->node_spanned_pages)//如果内存结点没有没存页，直接返回
        return;

#ifdef CONFIG_FLAT_NODE_MEM_MAP
    /* ia64 gets its own node_mem_map, before this, without bootmem */
    if (!pgdat->node_mem_map) {//如果还没有为结点分配mem_map，则需要为结点分配mem_map
        unsigned long size, start, end;
        struct page *map;

        /*
         * The zone's endpoints aren't required to be MAX_ORDER
         * aligned but the node_mem_map endpoints must be in order
         * for the buddy allocator to function correctly.
         */
        start = pgdat->node_start_pfn & ~(MAX_ORDER_NR_PAGES - 1);//确定起点，以MAX_ORDER_NR_PAGES的大小对齐
        end = pgdat->node_start_pfn + pgdat->node_spanned_pages;//计算结束点
        end = ALIGN(end, MAX_ORDER_NR_PAGES);//以MAX_ORDER_NR_PAGES对齐，与上面的功能一致，将内存映射对齐到伙伴系统的最大分配阶
        size =  (end - start) * sizeof(struct page);//计算所需内存的大小
        map = alloc_remap(pgdat->node_id, size);//为内存映射分配内存
        if (!map)//如果分配不成功，则使用普通的自举内存分配器进行分配
            map = alloc_bootmem_node(pgdat, size);
        pgdat->node_mem_map = map + (pgdat->node_start_pfn - start);
    }
#ifndef CONFIG_NEED_MULTIPLE_NODES
    /*
     * With no DISCONTIG, the global mem_map is just set as node 0's
     */
    if (pgdat == NODE_DATA(0)) {
        mem_map = NODE_DATA(0)->node_mem_map;
#ifdef CONFIG_ARCH_POPULATES_NODE_MAP
        if (page_to_pfn(mem_map) != pgdat->node_start_pfn)
            mem_map -= (pgdat->node_start_pfn - ARCH_PFN_OFFSET);
#endif /* CONFIG_ARCH_POPULATES_NODE_MAP */
    }
#endif
#endif /* CONFIG_FLAT_NODE_MEM_MAP */
}

free_area_init_core源代码详细分析：

static void __meminit free_area_init_core(struct pglist_data *pgdat,
        unsigned long *zones_size, unsigned long *zholes_size)
{
    enum zone_type j;
    int nid = pgdat->node_id;
    unsigned long zone_start_pfn = pgdat->node_start_pfn;
    int ret;

    pgdat_resize_init(pgdat);
    pgdat->nr_zones = 0;
    init_waitqueue_head(&pgdat->kswapd_wait);
    pgdat->kswapd_max_order = 0;

    for (j = 0; j < MAX_NR_ZONES; j++) {
        struct zone *zone = pgdat->node_zones + j;
        unsigned long size, realsize, memmap_pages;

        size = zone_spanned_pages_in_node(nid, j, zones_size);//内存域跨域的页数
        realsize = size - zone_absent_pages_in_node(nid, j,
                                zholes_size);//内存域的可用长度，可通过跨域的页数减去空洞覆盖的页数而得到

        /*
         * Adjust realsize so that it accounts for how much memory
         * is used by this zone for memmap. This affects the watermark
         * and per-cpu initialisations
         */
        memmap_pages = (size * sizeof(struct page)) >> PAGE_SHIFT;//用于内存映射需要的页数
        if (realsize >= memmap_pages) {如果内存域的可用长度大于用于内存映射需要的页数
            realsize -= memmap_pages;//则将需要映射的页数分配出去
            printk(KERN_DEBUG
                "  %s zone: %lu pages used for memmap\n",
                zone_names[j], memmap_pages);
        } else//否则，显示警告信息，可用内存不足
            printk(KERN_WARNING
                "  %s zone: %lu pages exceeds realsize %lu\n",
                zone_names[j], memmap_pages, realsize);

        /* Account for reserved pages */
        if (j == 0 && realsize > dma_reserve) {
            realsize -= dma_reserve;
            printk(KERN_DEBUG "  %s zone: %lu pages reserved\n",
                    zone_names[0], dma_reserve);
        }//除去用于保留的内存页

        if (!is_highmem_idx(j))
            nr_kernel_pages += realsize;//nr_kernel_pages表示不包含高端内存的系统内存共有的内存页面数，用于统计所有一致映射的页
        nr_all_pages += realsize;

        zone->spanned_pages = size;//跨域的内存页
        zone->present_pages = realsize;//经过一系列初始化之后，还可使用的内存页
#ifdef CONFIG_NUMA
        zone->node = nid;
        zone->min_unmapped_pages = (realsize*sysctl_min_unmapped_ratio)/ 100;//这句话不理解，请指教
        zone->min_slab_pages = (realsize * sysctl_min_slab_ratio) / 100;//这句话不理解，请指教
#endif
        zone->name = zone_names[j];
        spin_lock_init(&zone->lock);//关于锁机制，自己还没有学到，后面会详细介绍锁机制
        spin_lock_init(&zone->lru_lock);
        zone_seqlock_init(zone);
        zone->zone_pgdat = pgdat;

        zone->prev_priority = DEF_PRIORITY;

        zone_pcp_init(zone);//初始化该内存域的per_cpu缓存
        INIT_LIST_HEAD(&zone->active_list);
        INIT_LIST_HEAD(&zone->inactive_list);
        zone->nr_scan_active = 0;
        zone->nr_scan_inactive = 0;
        zap_zone_vm_stats(zone);
        zone->flags = 0;
        if (!size)
            continue;

        set_pageblock_order(pageblock_default_order());
        setup_usemap(pgdat, zone, size);
        ret = init_currently_empty_zone(zone, zone_start_pfn,
                        size, MEMMAP_EARLY);//init_currently_empty_zone用于初始化free_area列表，并将属于该内存域的所有page实例都设置为初始默认值
        BUG_ON(ret);
        zone_start_pfn += size;
    }
}

check_for_regular_memory源代码详细分析：

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1. static void check_for_regular_memory(pg_data_t *pgdat)  
2. {  
3. #ifdef CONFIG_HIGHMEM  
4.     enum zone_type zone_type;  
5.   
6.     for (zone_type = 0; zone_type <= ZONE_NORMAL; zone_type++) {//进一步检查低于ZONE_HIGHMEM的内存域中是否有内存  
7.   
8.         struct zone *zone = &pgdat->node_zones[zone_type];  
9.         if (zone->present_pages)  
10.             node_set_state(zone_to_nid(zone), N_NORMAL_MEMORY);//并根据上面的检查在结点位图中相应地设置N_NORMAL_MEMORY  
11.   
12.     }  

13. #endif 

14. }