linux内存管理分析2.docx
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linux内存管理分析2
linux内存管理分析【二】
2012-11-1921:
09:
22|分类：
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2内存管理系统建立过程
为建立内存管理系统，在内核初始化过程中调用了下面几个函数：
init/main.c
asmlinkagevoid__initstart_kernel（void）
{
......
初始化持久映射与临时映射的一些信息，后面持久映射和临时映射一节将详细讲解
page_address_init（）;
setup_arch是特定于体系架构的函数，负责初始化自举分配器和内核页表等。
setup_arch（&command_line）;
......
初始化per_cpu机制的一些结构，将.data.percpu段中的数据拷贝到每个CPU的数据段中
setup_per_cpu_areas（）;
......
建立结点和内存域之间的关系
build_all_zonelists（NULL）;
......
停用自举分配器bootmem，迁移到实际的内存管理中，初始化slab分配器，初始化进程虚拟地址空间管理结构
mm_init（）;
......
为每一个内存区域分配per_cpu_pageset结构并初始化其成员
setup_per_cpu_pageset（）;
......
}
【start_kernel--->setup_arch】
arch/arm/kernel/setup.c
void__initsetup_arch（char**cmdline_p）
{
structmachine_desc*mdesc;
内核参数可以通过平坦设备树或者tags由bootloader传递给内核。
每一个机器平台都由一个structmachine_desc结构来描述，内核所支持的所有平台对应的machine_desc结构都包含在段.init.arch.info的__arch_info_begin到__tagtable_end之间。
但每一个平台都有其唯一的机器码machine_arch_type，可通过机器码在段.init.arch.info中找到对应的平台描述结构。
函数setup_machine_tags就是根据机器码找到对应的平台描述结构，并且分析内核参数中内存相关的信息，用以初始化内存块管理结构membank。
mdesc=setup_machine_fdt（__atags_pointer）;
if（!
mdesc）
mdesc=setup_machine_tags（machine_arch_type）;
machine_desc=mdesc;
machine_name=mdesc->name;
根据mdesc->dma_zone_size设置DMA区域的大小arm_dma_zone_size，和DMA区域的结束地址arm_dma_limit
setup_dma_zone（mdesc）;
结构structmm_struct管理进程的虚拟地址空间，所有内核线程都使用共同的地址空间，因为他们都是用相同的地址映射，这个地址空间由init_mm来描述。
_text和_etext表示内核镜像代码段的起始和结束位置，_etext和_edata之间是已初始化数据段，_edata到_end是未初始化数据段等，_end之后便是堆区。
init_mm.start_code=（unsignedlong）_text;
init_mm.end_code=（unsignedlong）_etext;
init_mm.end_data=（unsignedlong）_edata;
init_mm.brk=（unsignedlong）_end;
内核命令行参数在函数setup_machine_tags获取并保存在了boot_command_line中
strlcpy（cmd_line,boot_command_line,COMMAND_LINE_SIZE）;
*cmdline_p=cmd_line;
分析命令行参数，主要关注一些与内存相关的东西
parse_early_param（）;
将内存块按从小到大排序
sort（&meminfo.bank,meminfo.nr_banks,sizeof（meminfo.bank[0]）,meminfo_cmp,NULL）;
扫描各个内存块，检测低端内存的最大值arm_lowmem_limit，设置高端内存起始值的虚拟地址high_memory
sanity_check_meminfo（）;
将所有内存块添加到结构memblock的memory区中，将已使用的内存添加到reserved区中去。
arm_memblock_init（&meminfo,mdesc）;
创建内核页表，初始化自举分配器
paging_init（mdesc）;
内核中将许多物理资源用structresource结构来管理，下面函数就是将IO内存作为resource注册到内核
request_standard_resources（mdesc）;
......
如果内核命令行中有预留用于内核crash是的转存空间，就将这些存储空间标记为已分配reserve_crashkernel（）;
......
}
【start_kernel--->setup_arch--->setup_machine_tags】
arch/arm/kernel/setup.c
staticstructmachine_desc*__initsetup_machine_tags（unsignedintnr）
{
structtag*tags=（structtag*）&init_tags;
structmachine_desc*mdesc=NULL,*p;
char*from=default_command_line;
init_tags.mem.start=PHYS_OFFSET;
下面循环根据机器号在段.init.arch.info中寻找对应的machine_desc结构
for_each_machine_desc（p）
if（nr==p->nr）{
printk（"Machine:
%s\n",p->name）;
mdesc=p;
break;
}
......
Bootloader传入的参数地址存放在__atags_pointer中
if（__atags_pointer）
tags=phys_to_virt（__atags_pointer）;
elseif（mdesc->atag_offset）
tags=（void*）（PAGE_OFFSET+mdesc->atag_offset）;
......
内核参数是由structtag来管理，其中第一个tag类型必然是ATAG_CORE
if（tags->hdr.tag!
=ATAG_CORE）{
......
tags=（structtag*）&init_tags;内核提供的一个默认参数列表
}
函数mdesc->fixup中一般会获取内存块的信息
if（mdesc->fixup）
mdesc->fixup（tags,&from,&meminfo）;
if（tags->hdr.tag==ATAG_CORE）{
如果内存块已经初始化，就将参数列表中关于内存的参数标记为ATAG_NONE
if（meminfo.nr_banks!
=0）
squash_mem_tags（tags）;
将参数列表拷贝到一个静态数组atags_copy中
save_atags（tags）;
分析内核参数，后面细讲
parse_tags（tags）;
}
将解析出来的内核命令行信息拷贝到静态数组boot_command_line中。
在内核启动期间用了很多静态存储空间，它们前面缀有__initdata，像这样的空间在内核启动起来后将被释放
strlcpy（boot_command_line,from,COMMAND_LINE_SIZE）;
returnmdesc;
}
【start_kernel--->setup_arch--->setup_machine_tags--->parse_tags】
arch/arm/kernel/setup.c
staticvoid__initparse_tags（conststructtag*t）
{
遍历参数列表中每一个参数结构
for（;t->hdr.size;t=tag_next（t））
if（!
parse_tag（t））
......
}
【start_kernel--->setup_arch--->setup_machine_tags--->parse_tags--->parse_tag】
arch/arm/kernel/setup.c
staticint__initparse_tag（conststructtag*tag）
{
externstructtagtable__tagtable_begin,__tagtable_end;
structtagtable*t;
参数类型多种多样解析方式也各不相同，所有针对每一种参数类型都有一个对应的解析函数，这些解析函数和其参数类型由结构structtagtable来管理。
这些结构都存放在段.init.tagtable的__tagtable_begin和__tagtable_end之间。
for（t=&__tagtable_begin;t<&__tagtable_end;t++）
if（tag->hdr.tag==t->tag）{
t->parse（tag）;
break;
}
returnt<&__tagtable_end;
}
参数ATAG_MEM的解析函数定义如下：
arch/arm/kernel/setup.c
staticint__initparse_tag_mem32（conststructtag*tag）
{
returnarm_add_memory（tag->u.mem.start,tag->u.mem.size）;
}
__tagtable（ATAG_MEM,parse_tag_mem32）;
【parse_tag_mem32--->arm_add_memory】
从ATAG_MEM参数中获取内存信息，初始化内存块管理结构
int__initarm_add_memory（phys_addr_tstart,unsignedlongsize）
{
structmembank*bank=&meminfo.bank[meminfo.nr_banks];
if（meminfo.nr_banks>=NR_BANKS）{
printk（KERN_CRIT"NR_BANKStoolow,"
"ignoringmemoryat0x%08llx\n",（longlong）start）;
return-EINVAL;
}
size-=start&~PAGE_MASK;
bank->start=PAGE_ALIGN（start）;
#ifndefCONFIG_LPAE
if（bank->start+sizestart）{
size=ULONG_MAX-bank->start;
}
#endif
bank->size=size&PAGE_MASK;
if（bank->size==0）
return-EINVAL;
meminfo.nr_banks++;
return0;
}
【start_kernel--->setup_arch--->sanity_check_meminfo】
arch/arm/mm/mmu.c
void__initsanity_check_meminfo（void）
{
inti,j,highmem=0;
遍历每一个内存块
for（i=0,j=0;istructmembank*bank=&meminfo.bank[j];
*bank=meminfo.bank[i];
if（bank->start>ULONG_MAX）
highmem=1;
#ifdefCONFIG_HIGHMEM
vmalloc_min在文件arch/arm/mm/mmu.c中定义，它定义了高端内存的起始位置。
PAGE_OFFSET是物理位置的起始处。
如果内存块起始位置大于vmalloc_min，表示存在高端内存。
如果内存扩展超过32位，它就有可能小于PAGE_OFFSET。
if（__va（bank->start）>=vmalloc_min||
__va（bank->start）<（void*）PAGE_OFFSET）
highmem=1;
标志该内存块是否处于高端内存中
bank->highmem=highmem;
如果该内存块部分处于高端内存中，部分处于低端内存中就将其分为两个内存块。
if（!
highmem&&__va（bank->start）bank->size>vmalloc_min-__va（bank->start））{
if（meminfo.nr_banks>=NR_BANKS）{
......
}else{
memmove（bank+1,bank,
（meminfo.nr_banks-i）*sizeof（*bank））;
meminfo.nr_banks++;
i++;
bank[1].size-=vmalloc_min-__va（bank->start）;
bank[1].start=__pa（vmalloc_min-1）+1;
bank[1].highmem=highmem=1;
j++;
}
bank->size=vmalloc_min-__va（bank->start）;
}
#else如果不支持高端内存做如下处理
bank->highmem=highmem;
if（highmem）{
......
continue;
}
if（__va（bank->start）>=vmalloc_min||
__va（bank->start）<（void*）PAGE_OFFSET）{
......
continue;
}
if（__va（bank->start+bank->size）>vmalloc_min||
__va（bank->start+bank->size）<__va（bank->start））{
unsignedlongnewsize=vmalloc_min-__va（bank->start）;
......
bank->size=newsize;
}
#endif
求出低端内存的最大地址值
if（!
bank->highmem&&bank->start+bank->size>arm_lowmem_limit）
arm_lowmem_limit=bank->start+bank->size;
j++;
}
......
meminfo.nr_banks=j;记录内存块数
计算高端内存起始地址，该值不一定等于vmalloc_min，因为可能没有高端内存
high_memory=__va（arm_lowmem_limit-1）+1;
memblock_set_current_limit（arm_lowmem_limit）;
}
【start_kernel--->setup_arch--->arm_memblock_init】
arch/arm/mm/init.c
void__initarm_memblock_init（structmeminfo*mi,structmachine_desc*mdesc）
{
inti;
将所有内存模块添加到memblock.memory中。
结构体memblock在文件mm/memblock.c中定义，如下：
structmemblockmemblock__initdata_memblock={
.memory.regions=memblock_memory_init_regions,
......
.reserved.regions=memblock_reserved_init_regions,
......
};
for（i=0;inr_banks;i++）
memblock_add（mi->bank[i].start,mi->bank[i].size）;
如果内核在rom中运行就只将它的数据段开始的空间添加到memblock.reserved中，否则将内核代码段开始的空间添加到memblock.reserved中。
#ifdefCONFIG_XIP_KERNEL
memblock_reserve（__pa（_sdata）,_end-_sdata）;
#else
memblock_reserve（__pa（_stext）,_end-_stext）;
#endif
#ifdefCONFIG_BLK_DEV_INITRD
如果支持initrd启动，此时它还不在内存中
if（phys_initrd_size&&
!
memblock_is_region_memory（phys_initrd_start,phys_initrd_size））{
pr_err（"INITRD:
0x%08lx+0x%08lxisnotamemoryregion-disablinginitrd\n",
phys_initrd_start,phys_initrd_size）;
phys_initrd_start=phys_initrd_size=0;
}
if（phys_initrd_size&&
memblock_is_region_reserved（phys_initrd_start,phys_initrd_size））{
pr_err（"INITRD:
0x%08lx+0x%08lxoverlapsin-usememoryregion-disablinginitrd\n",
phys_initrd_start,phys_initrd_size）;
phys_initrd_start=phys_initrd_size=0;
}
为inird镜像预留一块存储区
if（phys_initrd_size）{
memblock_reserve（phys_initrd_start,phys_initrd_size）;
initrd_start=__phys_to_virt（phys_initrd_start）;
initrd_end=initrd_start+phys_initrd_size;
}
#endif
为内核页表分配存储空间
arm_mm_memblock_reserve（）;
......
}
【start_kernel--->setup_arch--->paging_init】
arch/arm/mm/mmu.c
void__initpaging_init（structmachine_desc*mdesc）
{
void*zero_page;
memblock_set_current_limit（arm_lowmem_limit）;
根据不同的arm版本初始化不同的mem_types，该结构存放着页表的一些属性相关信息
build_mem_type_table（）;
将除了内核镜像、主内存所在虚拟地址之外全部内存的页表清除掉
prepare_page_table（）;
为低端内存的所有区域创建内核页表
map_lowmem（）;
对DMA区域重新创建页表
dma_contiguous_remap（）;
为设备IO空间和中断向量表创建页表，并刷新TLB和缓存
devicemaps_init（mdesc）;
获取持久映射区页表的位置，存储在pkmap_page_table中
kmap_init（）;
高64K是用于存放中断向量表的
top_pmd=pmd_off_k（0xffff0000）;
分配一个0页，该页用于写时复制机制。
zero_page=early_alloc（PAGE_SIZE）;
初始化自举内存分配，后面有专门章节讲解
bootmem_init（）;
empty_zero_page=virt_to_page（zero_page）;
刷新数据缓存
__flush_dcache_page（NULL,empty_zero_page）;
}
【start_kernel--->setup_arch--->paging_init--->prepare_page_table】
arch/arm/mm/mmu.c
staticinlinevoidprepare_page_table（void）
{
unsignedlongaddr;
phys_addr_tend;
模块加载的范围应该是在MODULES_VADDR到MODULES_END之间，MODULES_VADDR在文件arch/arm/include/asm/memory.h中定义，如下：
#defineMODULES_VADDR（PAGE_OFFSET-8*1024*1024）
对于arm处理器，该区域在正常内核虚拟地址之下。
清除存储空间在MODULES_VADDR之下的页表项。
for（addr=0;addrpmd_clear（pmd_off_k（addr））;
#ifdefCONFIG_XIP_KERNEL
addr=（（unsignedlong）_etext+PMD_SIZE-1）&PMD_MASK;
#endif
for（;addrpmd_clear（pmd_off_k（addr））;
第一个存储区存放的是内核镜像，跳过该区域，即不清除这个区域的页表
end=memblock.memory.regions[0].base+memblock.memory.regions[0].size;
if（end>=arm_lowmem_limit）
end=arm_lowmem_
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