内存管理区struct page.docx
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内存管理区structpage
内存管理区（structpage）
前面已经提到，物理内存被划分为三个区来管理，它们是ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和ZONE_HIGHMEM。
每个区都用structzone_struct结构来表示，定义于include/linux/mmzone.h：
typedefstructzone_struct{
/*
*Commonly
accessedfields:
*/
spinlock_t
lock;
unsigned
longfree_pages;
unsigned
longpages_min,
pages_low,pages_high;
int
need_balance;
/*
*freeareasofdifferentsizes
*/
free_area_tfree_area[MAX_ORDER];
/*
*Discontig
memorysupportfields.
*/
struct
pglist_data*zone_pgdat;
struct
page*zone_mem_map;
unsigned
long
zone_start_paddr;
unsigned
long
zone_start_mapnr;
/*
*rarelyusedfields:
*/
char
*name;
unsigned
long
size;
}zone_t;
#define
ZONE_DMA
0
#define
ZONE_NORMAL
1
#define
ZONE_HIGHMEM
2
#define
MAX_NR_ZONES
3
对structzone_struct结构中每个域的描述如下：
lock：
用来保证对该结构中其它域的串行访问
free_pages：
在这个区中现有空闲页的个数
pages_min、pages_low及pages_high是对这个区最少、此少及最多页面个数的描述
need_balance：
与kswapd合在一起使用
free_area：
在伙伴分配系统中的位图数组和页面链表
zone_pgdat：
本管理区所在的存储节点
zone_mem_map：
该管理区的内存映射表
zone_start_paddr：
该管理区的起始物理地址
zone_start_mapnr：
在mem_map中的索引（或下标）
name：
该管理区的名字
size：
该管理区物理内存总的大小
其中，free_area_t定义为：
#difine
MAX_ORDER
10
type
structfree_area_struct{
structlist_headfree_list
unsignedint*map
}free_area_t
因此，zone---_struct结构中的free_area[MAX_ORDER]是一组“空闲区间”链表。
为什么要定义一组而不是一个空闲队列呢？
这是因为常常需要成块地在物理空间分配连续的多个页面，所以要按块的大小分别加以管理。
因此，在管理区数据结构中既要有一个队列来保持一些离散（连续长度为1）的物理页面，还要有一个队列来保持一些连续长度为2的页面块以及连续长度为4、8、16、…、直至2MAX_ORDER（即4M字节）的队列。
如前所述，内存中每个物理页面都有一个structpage结构，位于include/linux/mm.h，该结构包含了对物理页面进行管理的所有信息，下面给出具体描述：
typedefstructpage{
struct
list_headlist;
struct
address_space*mapping;
unsigned
longindex;
struct
page*next_hash;
atomic_t
count;
unsigned
longflags;
struct
list_headlru;
wait_queue_head_t
wait;
struct
page**pprev_hash;
struct
buffer_head*buffers;
void
*virtual;
struct
zone_struct*zone;
}
mem_map_t;
对每个域的描述如下：
list：
指向链表中的下一页
mapping：
用来指定我们正在映射的索引节点（inode）
index：
在映射表中的偏移
next_hash：
指向页高速缓存哈希表中下一个共享的页
count：
引用这个页的个数
flags：
页面各种不同的属性
lru：
用在active_list中
wait：
等待这一页的页队列
pprev_hash：
与next_hash相对应
buffers：
把缓冲区映射到一个磁盘块
zone：
页所在的内存管理区
与内存管理区相关的三个主要函数为：
·
free_area_init（）函数
·
build_zonelists（）函数
·
mem_init（）函数
1．free_area_init（）函数
这个函数用来初始化内存管理区并创建内存映射表，定义于mm/page_alloc.c中。
函数原型为：
voidfree_area_init（unsignedlong*zones_size）;
voidfree_area_init_core（intnid,pg_data_t*pgdat,
struct
page**gmap,
unsignedlong*zones_size,
unsignedlongzone_start_paddr,
unsignedlong*zholes_size,
structpage*lmem_map）;
free_area_init（）为封装函数，而free_area_init_core（）为真正实现的函数，对该函数详细描述如下：
structpage*p;
unsignedlongi,j;
unsignedlongmap_size;
unsignedlongtotalpages,offset,realtotalpages;
constunsignedlongzone_required_alignment=1UL<<
（MAX_ORDER-1）;
if（zone_start_paddr&~PAGE_MASK）
BUG（）;
检查该管理区的起始地址是否是一个页的边界。
totalpages=0;
for（i=0;i<MAX_NR_ZONES;i++）{
totalpages+=size;
}
计算本存储节点中页面的个数。
realtotalpages=totalpages;
if（zholes_size）
for（i=0;i<MAX_NR_ZONES;i++）
realtotalpages-=zholes_size[i];
printk（"Onnode%dtotalpages:
%lu\n",nid,
realtotalpages）;
打印除空洞以外的实际页面数。
INIT_LIST_HEAD（&active_list）;
INIT_LIST_HEAD（&inactive_list）;
初始化循环链表。
/*
*Somearchitectures（withlotsofmemanddiscontinousmemory
*maps）
havetosearchforagoodmem_maparea:
*For
discontigmem,theconceptualmemmaparraystartsfrom
*
PAGE_OFFSET,weneedtoaligntheactualarrayontoamemmap
*boundary,sothatMAP_NRworks.
*/
map_size=
（totalpages+1）*sizeof（structpage）;
if（lmem_map==（structpage*）0）{
lmem_map
=（structpage*）（PAGE_OFFSET+
MAP_ALIGN（（unsignedlong）lmem_map-PAGE_OFFSET））;
}
给局部内存（即本节点中的内存）映射分配空间，并在sizeof（mem_map_t）边界上对齐它。
*gmap=
pgdat->node_mem_map=lmem_map;
pgdat->node_size=totalpages;
pgdat->node_start_paddr=zone_start_paddr;
pgdat->node_start_mapnr=（lmem_map-mem_map）;
pgdat->nr_zones=0;
初始化本节点中的域。
/*
*Initially
allpagesarereserved-freeonesarefreed
*upby
free_all_bootmem（）oncetheearlybootprocessis
*done.
*/
for（p=lmem_map;p<lmem_map+totalpages;p++）{
SetPageReserved（p）;
init_waitqueue_head（&p->wait）;
memlist_init（&p->list）;
}
仔细检查所有的页，并进行如下操作：
·
把页的使用计数（count域）置为0。
·
把页标记为保留。
·
初始化该页的等待队列。
·
初始化链表指针。
offset=lmem_map-mem_map;
变量mem_map是类型为structpages的全局稀疏矩阵。
mem_map下标的起始值取决于第一个节点的第一个管理区。
如果第一个管理区的起始地址为0，则下标就从0开始，并且与物理页面号相对应，也就是说，页面号就是mem_map的下标。
每一个管理区都有自己的映射表，存放在zone_mem_map中，每个管理区又被映射到它所在的节点node_mem_map中，而每个节点又被映射到管理全局内存的mem_map中。
在上面的这行代码中，offset表示该节点放的内存映射表在全局mem_map中的入口点（下标）。
在这里，offset为0，因为在i386上，只有一个节点。
for（j=0;j<MAX_NR_ZONES;j++）{
这个循环对zone的域进行初始化。
zone_t*zone=
pgdat->node_zones+j;
unsigned
longmask;
unsigned
longsize,realsize;
realsize
=size=zones_size[j];
管理区的实际数据是存放在节点中的，因此，让指针指向正确的管理区，并获得该管理区的大小。
if
（zholes_size）
realsize-=zholes_size[j];
printk（"zone（%lu）:
%lupages.\n",j,size）;
计算各个区的实际大小，并进行打印。
例如，在具有256MB的内存上，上面的输出为：
zone（0）:
4096pages.
zone
（1）:
61440pages.
zone
（2）:
0pages.
这里，管理区2为0，因为只有256MB的RAM.
zone->size
=size;
zone->name
=zone_names[j];
zone->lock
=SPIN_LOCK_UNLOCKED;
zone->zone_pgdat
=pgdat;
zone->free_pages
=0;
zone->need_balance
=0;
初始化管理区中的各个域。
if
（!
size）
continue;
如果一个管理区的大小为0
pgdat->nr_zones
=j+1;
mask
=（realsize/zone_balance_ratio[j]）;
if
（mask<zone_balance_min[j]）
mask=zone_balance_min[j];
else
if（mask>zone_balance_max[j]）
mask=zone_balance_max[j];
计算合适的平衡比率。
zone->pages_min
=mask;
zone->pages_low
=mask*2;
zone->pages_high
=mask*3;
zone->zone_mem_map
=mem_map+offset;
zone->zone_start_mapnr
=offset;
zone->zone_start_paddr
=zone_start_paddr;
设置该管理区中页面数量的几个界限，并把在全局变量mem_map中的入口点作为zone_mem_map的初值。
用全局变量mem_map的下标初始化变量zone_start_mapnr。
if
（（zone_start_paddr>>PAGE_SHIFT）&
（zone_required_alignment-1））
printk（"BUG:
wrongzonealignment,itwill
crash\n"）;
for
（i=0;i<size;i++）{
structpage*page=mem_map+offset+i;
page->zone=zone;
if（j!
=ZONE_HIGHMEM）
page->virtual=__va（zone_start_paddr）;
zone_start_paddr+=PAGE_SIZE;
}
对该管理区中的每一页进行处理。
首先，把structpage结构中的zone域初始化为指向该管理区（zone）,如果这个管理区不是ZONE_HIGHMEM，则设置这一页的虚地址（即物理地址+PAGE_OFFSET）。
也就是说，建立起每一页物理地址到虚地址的映射。
offset
+=size;
把offset增加size，使它指向mem_map中下一个管理区的起始位置。
for
（i=0;;i++）{
unsignedlongbitmap_size;
memlist_init（&zone->free_area[i].free_list）;
if（i==MAX_ORDER-1）{
zone->free_area[i].map=NULL;
break;
}
初始化free_area[]链表，把free_area[]中最后一个序号的位图置为NULL。
/*
*Page
buddysystemuses"index>>（i+1）",
*where"index"isatmost"size-1".
*
*Theextra
"+3"istorounddowntobyte
*size（8
bitsperbyteassumption）.Thus
*weget"（size-1）>>（i+4）"asthelastbyte
*wecanaccess.
*
*The
"+1"isbecausewewanttoroundthe
*byteallocationupratherthandown.So
*weshouldhavehada"+7"beforeweshifted
*downbythree.Also,wehavetoaddoneas
*weactually_use_thelastbit（it's[0,n]
*inclusive,not[0,n[）.
*
*Sowe
actuallyhad+7+1beforeweshift
*downby3.But（n+8）>>3==（n>>3）+1
*（modulooverflows,whichwedonothave）.
*
*Finally,
weLONG_ALIGNbecauseallbitmap
*operationsareonlongs.
*/
bitmap_size=（size-1）
>>（i+4）;
bitmap_size
=LONG_ALIGN（bitmap_size+1）;
zone->free_area[i].map=（unsignedlong*）
alloc_bootmem_node（pgdat,bitmap_size）;
}
计算位图的大小，然后调用alloc_bootmem_node给位图分配空间。
}
build_zonelists（pgdat）;
在节点中为不同的管理区创建链表。
2．build_zonelists（）函数
函数原型：
staticinlinevoidbuild_zonelists（pg_data_t
*pgdat）
代码如下：
inti,j,
k;
for（i=
0;i<=GFP_ZONEMASK;i++）{
zonelist_t*zonelist;
zone_t*zone;
zonelist
=pgdat->node_zonelists+i;
memset（zonelist,
0,sizeof（*zonelist））;
获得节点中指向管理区链表的域，并把它初始化为空。
j=0;
k=ZONE_NORMAL;
if
（i&__GFP_HIGHMEM）
k=
ZONE_HIGHMEM;
if
（i&__GFP_DMA）
k=
ZONE_DMA;
把当前管理区掩码与三个可用管理区掩码相“与”，获得一个管理区标识，把它用在下面的switch语句中。
switch
（k）{
default:
BUG（）;
/*
*fallthrough:
*/
caseZONE_HIGHMEM:
zone=pgdat->node_zones+ZONE_HIGHMEM;
if（zone->size）{
#ifndefCONFIG_HIGHMEM
BUG（）;
#endif
zonelist->zones[j++]=zone;
}
caseZONE_NORMAL:
zone=pgdat->node_zones+ZONE_NORMAL;
if（zone->size）
zonelist->zones[j++]=zone;
caseZONE_DMA:
zone=pgdat->node_zones+ZONE_DMA;
if（zone->size）
zonelist->zones[j++]=zone;
}
给定的管理区掩码指定了优先顺序，我们可以用它找到在switch语句中的入口点。
如果掩码为__GFP_DMA，管理区链表zonelist将仅仅包含DMA管理区，如果为__GFP_HIGHMEM，则管理区链表中就会依次有ZONE_HIGHMEM、ZONE_NORMAL和ZONE_DMA。
zonelist->zones[j++]
=NULL;
}
用Null结束链表。
3．mem_init（）函数
这个函数由start_kernel（）调用，以对管理区的分配算法进行进一步的初始化，定义于arch/i386/mm/init.c中，具体解释如下：
intcodesize,reservedpages,datasize,initsize;
inttmp;
intbad_ppro;
if（!
mem_map）
BUG（）;
#ifdef
CONFIG_HIGHMEM
highmem_start_page
=mem_map+highstart_pfn;
max_mapnr=
num_physpages=highend_pfn;
如果HIGHMEM被激活，就要获得HIGHMEM的起始地址和总的页面数。
#else
max_mapnr=
num_physpages=max_low_pfn;
#endif
否则，页面数就是常规内存的页面数。
high_memory
=（void*）__va（max_low_pfn*PAGE_SIZE）;
获得低区内存中最后一个页面的虚地址。
/*clear
thezero-page*/
memset（empty_zero_page,0,PAGE_SIZE）;
/*this
willputalllowmemoryontothefreelists*/
totalram_pages
+=free_all_bootmem（）;
reservedpages=0;
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