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2014-04-18-pglist-data-and-zone.md

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内存管理区
内存管理
内存管理区
内存 UMA NUMA 冷热页 内存域 内存管理区

我们习惯性的认为计算机内存是一种均匀、共享的资源。在忽略硬件高速缓存作用的情况下，我们期望内存单元无论在何处，也不管CPU在何处，CPU对内存单元的访问都需要相同的时间。可惜事实并不如此。实际上，给定的CPU对不同内存单元的访问时间可能不一样。系统的物理内存被分为好几个结点。

内存划分为结点(node)，每个结点关联到系统中的一个处理器，在内核中表示为pg_data_t的实例。各个结点又划分为内存域（Zone），这是内存的进一步细分。大致结构如下：

numa 内存管理区示意图

在一个理想的计算机体系结构中，一个页框就是一个内存存储单元，可以用于任何事情，例如存放内核数据和用户数据、缓冲磁盘数据等等。但实际上计算机体系结构有硬件的制约，这限制了页框可以使用的方式，尤其是Linux内核必须处理80x86体系结构的两种硬件约束：

  1. ISA总线的直接内存存取（DMA）处理有一个严格的限制，它们只能对RAM的前16MB寻址。
  2. 在具有大容量RAM的现代32位计算机中，CPU不能直接访问所有的物理内存，因为线性地址空间太小。

Linux把每个内存结点的物理内存划分为3个管理区，ZONE_DMA、ZONE_NORMAL、ZONE_HIGHMEM。其范围分别为：

字段名 说明
ZONE_DMA 低于16MB的内存页框
ZONE_NORMAL 高于16MB但地狱896MB的内存页框
ZONE_HIGHMEM 高于896MB的内存页框

内核引入了下内存域描述符（zone_type）列常量枚举系统中的所有内存域，去掉注释代码如下：

<include/linux/mmzone.h>

{% highlight c++ %} enum zone_type { #ifdef CONFIG_ZONE_DMA ZONE_DMA, #endif #ifdef CONFIG_ZONE_DMA32 ZONE_DMA32, #endif ZONE_NORMAL, #ifdef CONFIG_HIGHMEM ZONE_HIGHMEM, #endif ZONE_MOVABLE, __MAX_NR_ZONES }; {% endhighlight %}

其中字段名和说明如下：

字段名 说明
ZONE_DMA 标记和式DMA的内存域，该区域的长度依赖于处理器的类型
ZONE_DMA32 标记了使用32位地址字可寻之、适合DMA的内存域。32位机器上此标志为空
ZONE_NORMAL 标记了可直接映射到内核段的普通内存域，这是所有体系结构上都会保证存在的唯一内存域，但无法保证该地址范围对应了实际的物理内存。
ZONE_HIGHMEM 标记了超出内核段的物理内存。在编译的时候可以配置，例如64位计算机并不需要高端地址内存域
ZONE_MOVABLE 伪内存域，防止物理内存碎片的机制中需要使用该内存域
MAX_NR_ZONES 充当结束标记，在内核想要迭代系统中的所有内存域时会使用这个变量

各个内存域都关联了一个数组，用来组织属于该内存域的物理内存页，内核中称为页帧。对每个页帧，都分配一个struct page实例以及所需的管理数据。各个内存结点保存在一个单链表中，供内核遍历。

结点

pglist_data_t时用于表示结点的基本元素，定义如下：

<include/linux/mmzone.h>

{% highlight c++ %} typedef struct pglist_data { struct zone node_zones[MAX_NR_ZONES]; struct zonelist node_zonelists[MAX_ZONELISTS]; int nr_zones; #ifdef CONFIG_FLAT_NODE_MEM_MAP /* means !SPARSEMEM */ struct page *node_mem_map; #ifdef CONFIG_CGROUP_MEM_RES_CTLR struct page_cgroup node_page_cgroup; #endif #endif struct bootmem_data bdata; #ifdef CONFIG_MEMORY_HOTPLUG spinlock_t node_size_lock; #endif unsigned long node_start_pfn; unsigned long node_present_pages; / 物理页的总数 * / unsigned long node_spanned_pages; / 物理页总长度，包含洞 */ int node_id; wait_queue_head_t kswapd_wait; struct task_struct *kswapd; int kswapd_max_order; } pg_data_t; {% endhighlight %}

其字段说明如下：

字段名 说明
node_zone 是一个数组，包含了结点中各内存域的数据结构
node_zonelists 指定了备用结点及其内存域的列表
nr_zones 结点中不同的内存域的数目
node_mem_map 指向page实例数组的指针
bdata 指向自举内存分配器数据结构的实例
node_start_pfn 是该NUMA结点的第一个页帧的逻辑变好，每个页帧的变好都是全局统一的
node_id 全局结点ID，系统中的NUMA结点都从0开始编号
kswapd_wait 交换守护进程（swap daemon）的等待队列，在将页帧换出结点是会用到

在《深入Linux内核架构中》，pglist_data结构体的代码里有pgdata_next字段，用于指向下一个pglist_data结构的指针，但是在某个版本中去掉了。使用node_online_map也可以找到下一个pgdata的信息。

<include/linux/nodemask.h>

{% highlight c++ %} #define node_online_map node_states[N_ONLINE] {% endhighlight %}

具体提交在此，邮件里的说明摘录如下：

This patch is to remove pgdat link list from pgdat structure, because I think it is redundant.
In the current implementation, pgdat structure has this link list.

struct pglist_data{struct pglist_data *pgdat_next;}

This is used for searching other zones and nodes by for_each_pgdat and for_each_zone macros.
So, if a node is hot added, the system has to not only set bit of node_online_map, but also connect this for new node.
However, all of pgdat linklist user would like to know just next (online) node. So, I think node_online_map is enough information
for them to find other nodes. And hot add/remove code will be simpler.

结点状态管理

如果系统中结点多于一个，内核会维护一个位图，用以提供各个结点的状态信息，状态是用位掩码指定的，可使用下列的值：

<include/linux/nodemask.h>

{% highlight c++ %} enum node_states { N_POSSIBLE, N_ONLINE, N_NORMAL_MEMORY, #ifdef CONFIG_HIGHMEM N_HIGH_MEMORY, #else N_HIGH_MEMORY = N_NORMAL_MEMORY, #endif N_CPU, NR_NODE_STATES }; {% endhighlight %}

其中一些字段的意义为：

字段名 说明
N_POSSIBLE 结点在某个时候可能变为联机/在线
N_ONLINE 结点是联机/在线的
N_NORMAL_MEMORY 结点有普通内存域
N_HIGH_MEMORY 结点有普通内存域或高端内存域
N_CPU 结点有一个或多个CPU

内存管理区

内存管理区也可以称为内存域。内核使用zone结构表示一个内存管理区（或内存域），去掉一些注释之后定义如下：

<include/linux/mmzone.h>

{% highlight c++ %} struct zone { unsigned long watermark[NR_WMARK]; unsigned long percpu_drift_mark; unsigned long lowmem_reserve[MAX_NR_ZONES];

#ifdef CONFIG_NUMA int node; unsigned long min_unmapped_pages; unsigned long min_slab_pages; struct per_cpu_pageset *pageset[NR_CPUS]; #else struct per_cpu_pageset pageset[NR_CPUS]; #endif spinlock_t lock; #ifdef CONFIG_MEMORY_HOTPLUG seqlock_t span_seqlock; #endif struct free_area free_area[MAX_ORDER];

#ifndef CONFIG_SPARSEMEM unsigned long pageblock_flags; #endif / CONFIG_SPARSEMEM */

ZONE_PADDING(_pad1_)

spinlock_t      lru_lock;
struct zone_lru {
    struct list_head list;
} lru[NR_LRU_LISTS];

struct zone_reclaim_stat reclaim_stat;

unsigned long       pages_scanned;
unsigned long       flags;

atomic_long_t       vm_stat[NR_VM_ZONE_STAT_ITEMS];

int prev_priority;
unsigned int inactive_ratio;


ZONE_PADDING(_pad2_)
wait_queue_head_t   * wait_table;
unsigned long       wait_table_hash_nr_entries;
unsigned long       wait_table_bits;

struct pglist_data  *zone_pgdat;
unsigned long       zone_start_pfn;

unsigned long       spanned_pages;
unsigned long       present_pages;
const char      *name;

} ____cacheline_internodealigned_in_smp; {% endhighlight %}

其中一个重要的部分是ZONE_PADDING。ZONE_PADDING将一个内存域氛围几个部分，这是因为对zone结构体的访问非常频繁，在多处理系统上，通常会有不同的CPU试图同时访问结构成员。因此使用锁防止它们彼此干扰。而由于内核会经常对内存域访问，所以经常获取该结构的自旋锁1。

____cacheline_internodealigned_in_smp是编译器关键字，用以实现最优的高速缓存对齐方式。另外，我们可以看到per_cpu_pageset结构体中的pageset[NR_CPUS]这个关键，在编译时，如果是NUMA计算机，则值是大于1，可能在2-32之间。如果是UMA系统的话，其值只等于12。

冷热页

内存域（zone）结构体中的成员per_cpu_pageset和冷热页有关，我们可以看per_cpu_pageset结构体，代码如下：

{% highlight c++ %} struct per_cpu_pageset { struct per_cpu_pages pcp; #ifdef CONFIG_NUMA s8 expire; #endif #ifdef CONFIG_SMP s8 stat_threshold; s8 vm_stat_diff[NR_VM_ZONE_STAT_ITEMS]; #endif } ____cacheline_aligned_in_smp; {% endhighlight %}

在内核书籍里代码里per_cpu_pages pcp[2]中的pcp是一个数组，索引0对应热页，索引1对应冷页。在后续的Linux内核中被改动，被合并成一个单独的链表。具体改动的原因在此。原因摘抄如下：

We have repeatedly discussed if the cold pages still have a point.
There is one way to join the two lists: Use a single list and put the cold pages at the end and the hot pages at the beginning. That way a single list can serve for both types of allocations.

我们可以看这个结构体包含per_cpu_pages结构体，其内容如下：

{% highlight c++ %} struct per_cpu_pages { int count; int high; int batch;

struct list_head lists[MIGRATE_PCPTYPES];

}; {% endhighlight %}

其中字段意义如下：

字段名 说明
count 列表中的页
high 页数上限水印，需要的时候清空
batch 添加/删除多页块的时候，块的大小
list_head 页的链表

我们可以总结一下，pglist_data表示结点，zone表示一个内存域或者内存管理区。

每个页描述符都有到内存结点和到结点内管理区（包含相应页框）的链接。为节省空间，这些链接的存放方式与典型的指针不同，而是被编码或索引存放在flags字段的高位。实际上，刻画页框的标志的数目是有限的，因此保留flags字段的最高位来编码特定内存结点和管理区号总是可能的。

内核调用一个内存分配函数时，必须指明请求页框所在的管理区。内核通常指明它愿意使用哪个管理区。例如，如果一个页框必须直接映射再线性地址的第4个GB，但它又不用于ISA DMA的传输，那么内核不是再ZONE_NORMAL区就是在ZONE_DMA区请求一个页框。

Footnotes

  1. zone->lock和zone->lru_lock。 ↩

  2. 这个值不代表实际的CPU数，而是内核支持的最大CPU数。 ↩