【原創】（五）Linux內存管理zone_sizes_init

背景

• Read the fucking source code! --By 魯迅
• A picture is worth a thousand words. --By 高爾基

說明：

1. Kernel版本：4.14
2. ARM64處理器，Contex-A53，雙核
3. 使用工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 介紹

在（四）Linux內存模型之Sparse Memory Model中，我們分析了bootmem_init函數的上半部分，這次讓我們來到下半部分吧，下半部分主要是圍繞zone_sizes_init函數展開。
前景回顧：
bootmem_init()函數代碼如下：

void __init bootmem_init(void)
{
	unsigned long min, max;

	min = PFN_UP(memblock_start_of_DRAM());
	max = PFN_DOWN(memblock_end_of_DRAM());

	early_memtest(min << PAGE_SHIFT, max << PAGE_SHIFT);

	max_pfn = max_low_pfn = max;

	arm64_numa_init();
	/*
	 * Sparsemem tries to allocate bootmem in memory_present(), so must be
	 * done after the fixed reservations.
	 */
	arm64_memory_present();

	sparse_init();
	zone_sizes_init(min, max);

	memblock_dump_all();
}

在Linux中，物理內存地址區域采用zone來管理。不打算來太多前戲了，先上一張zone_sizes_init的函數調用圖吧：

需要再說明一點是，使用的是ARM64，UMA（只有一個Node），此外，流程分析中那些沒有打開的宏，相應的函數就不深入分析了。開始探索吧！

2. 數據結構

關鍵的結構體如上圖所示。
在NUMA架構下，每一個Node都會對應一個struct pglist_data，在UMA架構中只會使用唯一的一個struct pglist_data結構，比如我們在ARM64 UMA中使用的全局變量struct pglist_data __refdata contig_page_data。

struct pglist_data 關鍵字段

struct zone node_zones[];           //對應的ZONE區域，比如ZONE_DMA，ZONE_NORMAL等
struct zonelist_node_zonelists[];

unsigned long node_start_pfn;           //節點的起始內存頁面幀號
unsigned long node_present_pages;    //總共可用的頁面數
unsigned long node_spanned_pages;  //總共的頁面數，包括有空洞的區域

wait_queue_head_t kswapd_wait;        //頁面回收進程使用的等待隊列
struct task_struct *kswapd;               //頁面回收進程

struct zone 關鍵字段

unsigned long watermark[];          //水位值，WMARK_MIN/WMARK_LOV/WMARK_HIGH，頁面分配器和kswapd頁面回收中會用到
long lowmem_reserved[];             //zone中預留的內存
struct pglist_data *zone_pgdat;     //執行所屬的pglist_data
struct per_cpu_pageset *pageset;  //Per-CPU上的頁面，減少自旋鎖的爭用

unsigned long zone_start_pfn;       //ZONE的起始內存頁面幀號
unsigned long managed_pages;    //被Buddy System管理的頁面數量
unsigned long spanned_pages;     //ZONE中總共的頁面數，包含空洞的區域
unsigned long present_pages;      //ZONE里實際管理的頁面數量

struct frea_area free_area[];         //管理空閑頁面的列表

宏觀點的描述：struct pglist_data描述單個Node的內存（UMA架構中的所有內存），然后內存又分成不同的zone區域，zone描述區域內的不同頁面，包括空閑頁面，Buddy System管理的頁面等。

3. zone

上個代碼吧：

enum zone_type {
#ifdef CONFIG_ZONE_DMA
	/*
	 * ZONE_DMA is used when there are devices that are not able
	 * to do DMA to all of addressable memory (ZONE_NORMAL). Then we
	 * carve out the portion of memory that is needed for these devices.
	 * The range is arch specific.
	 *
	 * Some examples
	 *
	 * Architecture		Limit
	 * ---------------------------
	 * parisc, ia64, sparc	<4G
	 * s390			<2G
	 * arm			Various
	 * alpha		Unlimited or 0-16MB.
	 *
	 * i386, x86_64 and multiple other arches
	 * 			<16M.
	 */
	ZONE_DMA,
#endif
#ifdef CONFIG_ZONE_DMA32
	/*
	 * x86_64 needs two ZONE_DMAs because it supports devices that are
	 * only able to do DMA to the lower 16M but also 32 bit devices that
	 * can only do DMA areas below 4G.
	 */
	ZONE_DMA32,
#endif
	/*
	 * Normal addressable memory is in ZONE_NORMAL. DMA operations can be
	 * performed on pages in ZONE_NORMAL if the DMA devices support
	 * transfers to all addressable memory.
	 */
	ZONE_NORMAL,
#ifdef CONFIG_HIGHMEM
	/*
	 * A memory area that is only addressable by the kernel through
	 * mapping portions into its own address space. This is for example
	 * used by i386 to allow the kernel to address the memory beyond
	 * 900MB. The kernel will set up special mappings (page
	 * table entries on i386) for each page that the kernel needs to
	 * access.
	 */
	ZONE_HIGHMEM,
#endif
	ZONE_MOVABLE,
#ifdef CONFIG_ZONE_DEVICE
	ZONE_DEVICE,
#endif
	__MAX_NR_ZONES

};

通用內存管理要應對各種不同的架構，X86，ARM，MIPS...，為了減少復雜度，只需要挑自己架構相關的。目前我使用的平台，只配置了ZONE_DMA和ZONE_NORMAL。Log輸出如下圖：

為什么沒有ZONE_NORMAL區域內，跟蹤一通代碼發現，ZONE_DMA區域設置的大小是從起始內存開始的4G區域並且不能超過4G邊界區域，而我使用的內存為512M，所以都在這個區域內了。

從上述結構體中可以看到，ZONE_DMA是由宏定義的，ZONE_NORMAL才是所有架構都有的區域，那么為什么需要一個ZONE_DMA區域內，來張圖：

所以，如果所有設備的尋址范圍都是在內存的區域內的話，那么一個ZONE_NORMAL是夠用的。

4. calculate_node_totalpages

這個從名字看就很容易知道是為了統計Node中的頁面數，一張圖片解釋所有：

• 前邊的文章分析過，物理內存由memblock維護，整個內存區域，是有可能存在空洞區域，也就是圖中的hole部分；
• 針對每個類型的ZONE區域，分別會去統計跨越的page frame，以及可能存在的空洞，並計算實際可用的頁面present_pages；
• Node管理各個ZONE，它的spanned_pages和present_pages是統計各個ZONE相應頁面之和。

這個過程計算完，基本就把頁框的信息納入管理了。

5. free_area_init_core

簡單來說，free_area_init_core函數主要完成struct pglist_data結構中的字段初始化，並初始化它所管理的各個zone，看一下代碼吧：

/*
 * Set up the zone data structures:
 *   - mark all pages reserved
 *   - mark all memory queues empty
 *   - clear the memory bitmaps
 *
 * NOTE: pgdat should get zeroed by caller.
 */
static void __paginginit free_area_init_core(struct pglist_data *pgdat)
{
	enum zone_type j;
	int nid = pgdat->node_id;

	pgdat_resize_init(pgdat);
#ifdef CONFIG_NUMA_BALANCING
	spin_lock_init(&pgdat->numabalancing_migrate_lock);
	pgdat->numabalancing_migrate_nr_pages = 0;
	pgdat->numabalancing_migrate_next_window = jiffies;
#endif
#ifdef CONFIG_TRANSPARENT_HUGEPAGE
	spin_lock_init(&pgdat->split_queue_lock);
	INIT_LIST_HEAD(&pgdat->split_queue);
	pgdat->split_queue_len = 0;
#endif
	init_waitqueue_head(&pgdat->kswapd_wait);
	init_waitqueue_head(&pgdat->pfmemalloc_wait);
#ifdef CONFIG_COMPACTION
	init_waitqueue_head(&pgdat->kcompactd_wait);
#endif
	pgdat_page_ext_init(pgdat);
	spin_lock_init(&pgdat->lru_lock);
	lruvec_init(node_lruvec(pgdat));

	pgdat->per_cpu_nodestats = &boot_nodestats;

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

		size = zone->spanned_pages;
		realsize = freesize = zone->present_pages;

		/*
		 * Adjust freesize 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 = calc_memmap_size(size, realsize);
		if (!is_highmem_idx(j)) {
			if (freesize >= memmap_pages) {
				freesize -= memmap_pages;
				if (memmap_pages)
					printk(KERN_DEBUG
					       "  %s zone: %lu pages used for memmap\n",
					       zone_names[j], memmap_pages);
			} else
				pr_warn("  %s zone: %lu pages exceeds freesize %lu\n",
					zone_names[j], memmap_pages, freesize);
		}

		/* Account for reserved pages */
		if (j == 0 && freesize > dma_reserve) {
			freesize -= dma_reserve;
			printk(KERN_DEBUG "  %s zone: %lu pages reserved\n",
					zone_names[0], dma_reserve);
		}

		if (!is_highmem_idx(j))
			nr_kernel_pages += freesize;
		/* Charge for highmem memmap if there are enough kernel pages */
		else if (nr_kernel_pages > memmap_pages * 2)
			nr_kernel_pages -= memmap_pages;
		nr_all_pages += freesize;

		/*
		 * Set an approximate value for lowmem here, it will be adjusted
		 * when the bootmem allocator frees pages into the buddy system.
		 * And all highmem pages will be managed by the buddy system.
		 */
		zone->managed_pages = is_highmem_idx(j) ? realsize : freesize;
#ifdef CONFIG_NUMA
		zone->node = nid;
#endif
		zone->name = zone_names[j];
		zone->zone_pgdat = pgdat;
		spin_lock_init(&zone->lock);
		zone_seqlock_init(zone);
		zone_pcp_init(zone);

		if (!size)
			continue;

		set_pageblock_order();
		setup_usemap(pgdat, zone, zone_start_pfn, size);
		init_currently_empty_zone(zone, zone_start_pfn, size);
		memmap_init(size, nid, j, zone_start_pfn);
	}
}

• 初始化struct pglist_data內部使用的鎖和隊列；

遍歷各個zone區域，進行如下初始化：

• 根據zone的spanned_pages和present_pages，調用calc_memmap_size計算管理該zone所需的struct page結構所占的頁面數memmap_pages；

• zone中的freesize表示可用的區域，需要減去memmap_pages和DMA_RESERVE的區域，如下圖在開發板的Log打印所示：memmap使用2048頁，DMA 保留0頁；
  

• 計算nr_kernel_pages和nr_all_pages的數量，為了說明這兩個參數和頁面的關系，來一張圖（由於我使用的平台只有一個ZONE_DMA區域，且ARM64沒有ZONE_HIGHMEM區域，不具備典型性，故以ARM32為例）：
  

• 初始化zone使用的各類鎖；

• 分配和初始化usemap，初始化Buddy System中使用的free_area[], lruvec, pcp等；

• memmap_init()->memmap_init_zone()，該函數主要是根據PFN，通過pfn_to_page找到對應的struct page結構，並將該結構進行初始化處理，並設置MIGRATE_MOVABLE標志，表明可移動；

最后，當我們回顧bootmem_init函數時，發現它基本上完成了linux物理內存框架的初始化，包括Node, Zone, Page Frame，以及對應的數據結構等。

結合上篇文章（四）Linux內存模型之Sparse Memory Model閱讀，效果會更佳噢！

持續中...