linux内存伙伴算法(二：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：

static void check_for_regular_memory(pg_data_t *pgdat)
{
#ifdef CONFIG_HIGHMEM
	enum zone_type zone_type;

	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

		struct zone *zone = &pgdat->node_zones[zone_type];
		if (zone->present_pages)
			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

	}
#endif
}

我也知道有很多的细节都没有分析到位，但是我也没有办法，曾经想着把里面涉及到的每一个函数都分析到位，但是那样的话自己相当的痛苦，因为那样的结果就是很多天都没有办法前进一点，会让人相当的有挫败感，最后只能选择大概先都过一遍，因为自己是一个内核的初学者，而内核前后的关联又很大，也只能先过一遍，到后面我会重新回来看我写得博客，能增进一些分析就增进一些分析。如果您认为上面确实有很重要的地方我没有分析到，希望您指点。