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卧龙区建网站,网站紧急维护,抖音怎么推广引流,小型网站建设参考文献linux内存管理 为什么要了解linux内存管理 分配并使用内存#xff0c;是内核程序与驱动程序中非常重要的一环。内存分配函数都依赖于内核中一个非常复杂而重要的组件 - 内存管理。 linux驱动程序不可避免要与内核中的内存管理模块打交道。 linux内存管理可以总体上分为两大…linux内存管理 为什么要了解linux内存管理 分配并使用内存是内核程序与驱动程序中非常重要的一环。内存分配函数都依赖于内核中一个非常复杂而重要的组件 - 内存管理。 linux驱动程序不可避免要与内核中的内存管理模块打交道。 linux内存管理可以总体上分为两大块一是对物理内存的管理二是对虚拟内存的管理。 物理内存管理 对物理内存的定义引入了三个概念内存节点node内存区域zone内存页page 对于物理内存的管理总体上可以分为两层 最底层的页面级内存管理页面级管理之上有slab内存管理 内存节点 node 为了将UMA系统和NUMA系统结合起来所以引入了内存节点这样一个概念。 在计算机体系结构上有两种物理内存管理模型被广泛使用 UMA一致内存访问 Uniform Memory Access模型该模型的内存空间在物理上也许是不连续的比如有空洞的存在但是所有内存空间对系统中的处理器而言具有相同的访问特性NUMA非一致内存访问Non-Uniform Memory Access模型该模型总是用在多核处理器系统系统中每个处理器都有本地内存处理器与处理器之间通过总线连接起来以支持其他处理器对比其本地的访问。与UMA模型不同的是处理器在访问本地内存时速度更加快。 两种模型的区别 linux源码中以struct pglist_data数据结构来表示单个内存节点NUMA系统有多个内存节点所以会有多个pglist_data结构存在。而UMA结构中只会有一个pglist_data结构。 内存区域zone 内存区域的概念其范围要小于内存节点的概念。系统中各个模块对物理内存的属性有不同的要求因此linux又将每个内存节点所管理的物理内存划分为不同的内存区域。 linux源码中以strcut zone数据结构表示一个内存区域内存区域的类型用枚举类型 zone_type表示 ZONE_DMA 当有些设备不能使用所有的ZONE_NORMAL区域中的内存作为内存空间的DMA访问时就可以使用ZONE_DMA所表示的内存区域于是我们把这部分空间划分出来专门用与DMA访问的内存空间。这部分区域的空间访问是处理器体系结构相关的比如32位的x86体系结构下DMA只能访问16MB以下的物理内存空间 ZONE_NORMAL 常规内存访问区域如果DMA可以使用这个区域作为内存访问也可以使用这个区域。 ZONE_HIGHMEM 高端内存区域这个区域无法从内核虚拟地址空间直接作线性映射所以为访问该区域必须经内核作特殊的页映射。 i386体系上内核空间1GB除去其他开销能对物理地址进行线性映射的空间大约只有896MB高于896MB以上的物理地址空间就叫ZONE_HIGHMEM区域。 enum zone_type {/** ZONE_DMA and ZONE_DMA32 are used when there are peripherals not able* to DMA to all of the addressable memory (ZONE_NORMAL).* On architectures where this area covers the whole 32 bit address* space ZONE_DMA32 is used. ZONE_DMA is left for the ones with smaller* DMA addressing constraints. This distinction is important as a 32bit* DMA mask is assumed when ZONE_DMA32 is defined. Some 64-bit* platforms may need both zones as they support peripherals with* different DMA addressing limitations.*/ #ifdef CONFIG_ZONE_DMAZONE_DMA, #endif #ifdef CONFIG_ZONE_DMA32ZONE_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 is similar to ZONE_NORMAL, except that it contains* movable pages with few exceptional cases described below. Main use* cases for ZONE_MOVABLE are to make memory offlining/unplug more* likely to succeed, and to locally limit unmovable allocations - e.g.,* to increase the number of THP/huge pages. Notable special cases are:** 1. Pinned pages: (long-term) pinning of movable pages might* essentially turn such pages unmovable. Therefore, we do not allow* pinning long-term pages in ZONE_MOVABLE. When pages are pinned and* faulted, they come from the right zone right away. However, it is* still possible that address space already has pages in* ZONE_MOVABLE at the time when pages are pinned (i.e. user has* touches that memory before pinning). In such case we migrate them* to a different zone. When migration fails - pinning fails.* 2. memblock allocations: kernelcore/movablecore setups might create* situations where ZONE_MOVABLE contains unmovable allocations* after boot. Memory offlining and allocations fail early.* 3. Memory holes: kernelcore/movablecore setups might create very rare* situations where ZONE_MOVABLE contains memory holes after boot,* for example, if we have sections that are only partially* populated. Memory offlining and allocations fail early.* 4. PG_hwpoison pages: while poisoned pages can be skipped during* memory offlining, such pages cannot be allocated.* 5. Unmovable PG_offline pages: in paravirtualized environments,* hotplugged memory blocks might only partially be managed by the* buddy (e.g., via XEN-balloon, Hyper-V balloon, virtio-mem). The* parts not manged by the buddy are unmovable PG_offline pages. In* some cases (virtio-mem), such pages can be skipped during* memory offlining, however, cannot be moved/allocated. These* techniques might use alloc_contig_range() to hide previously* exposed pages from the buddy again (e.g., to implement some sort* of memory unplug in virtio-mem).* 6. ZERO_PAGE(0), kernelcore/movablecore setups might create* situations where ZERO_PAGE(0) which is allocated differently* on different platforms may end up in a movable zone. ZERO_PAGE(0)* cannot be migrated.* 7. Memory-hotplug: when using memmap_on_memory and onlining the* memory to the MOVABLE zone, the vmemmap pages are also placed in* such zone. Such pages cannot be really moved around as they are* self-stored in the range, but they are treated as movable when* the range they describe is about to be offlined.** In general, no unmovable allocations that degrade memory offlining* should end up in ZONE_MOVABLE. Allocators (like alloc_contig_range())* have to expect that migrating pages in ZONE_MOVABLE can fail (even* if has_unmovable_pages() states that there are no unmovable pages,* there can be false negatives).*/ZONE_MOVABLE, #ifdef CONFIG_ZONE_DEVICEZONE_DEVICE, #endif__MAX_NR_ZONES};内存页 page是内存管理中的最小粒度优势也叫做页帧(page frame页帧号pfn)。linux会为系统物理内存的每个页都创建一个struct page对象系统同一用struct page* mem_map存放所有物理页page 对象的指针。 一个内存页的大小取决于MMUARMv8MMU可以支持4KB16KB64KB这三种页面粒度。一般来说4KB用的最多。 /** Each physical page in the system has a struct page associated with* it to keep track of whatever it is we are using the page for at the* moment. Note that we have no way to track which tasks are using* a page, though if it is a pagecache page, rmap structures can tell us* who is mapping it.*/ struct page {unsigned long flags; /* Atomic flags, some possibly* updated asynchronously */atomic_t _count; /* Usage count, see below. */union {atomic_t _mapcount; /* Count of ptes mapped in mms,* to show when page is mapped* limit reverse map searches.*/struct { /* SLUB */u16 inuse;u16 objects;};};union {struct {unsigned long private; /* Mapping-private opaque data:* usually used for buffer_heads* if PagePrivate set; used for* swp_entry_t if PageSwapCache;* indicates order in the buddy* system if PG_buddy is set.*/struct address_space *mapping; /* If low bit clear, points to* inode address_space, or NULL.* If page mapped as anonymous* memory, low bit is set, and* it points to anon_vma object:* see PAGE_MAPPING_ANON below.*/}; #if USE_SPLIT_PTLOCKSspinlock_t ptl; #endifstruct kmem_cache *slab; /* SLUB: Pointer to slab */struct page *first_page; /* Compound tail pages */};union {pgoff_t index; /* Our offset within mapping. */void *freelist; /* SLUB: freelist req. slab lock */};struct list_head lru; /* Pageout list, eg. active_list* protected by zone-lru_lock !*//** On machines where all RAM is mapped into kernel address space,* we can simply calculate the virtual address. On machines with* highmem some memory is mapped into kernel virtual memory* dynamically, so we need a place to store that address.* Note that this field could be 16 bits on x86 ... ;)** Architectures with slow multiplication can define* WANT_PAGE_VIRTUAL in asm/page.h*/ #if defined(WANT_PAGE_VIRTUAL)void *virtual; /* Kernel virtual address (NULL ifnot kmapped, ie. highmem) */ #endif /* WANT_PAGE_VIRTUAL */ #ifdef CONFIG_WANT_PAGE_DEBUG_FLAGSunsigned long debug_flags; /* Use atomic bitops on this */ #endif#ifdef CONFIG_KMEMCHECK/** kmemcheck wants to track the status of each byte in a page; this* is a pointer to such a status block. NULL if not tracked.*/void *shadow; #endif };页面分配器(page allocator) 物理内存分配。linux系统的物理内存分配是建立在伙伴系统的基础之上的。系统初始化期间伙伴系统负责对物理内存进行整理跟踪哪些物理内存页面已经被占用哪些是空闲的。 其他组件通过访问伙伴系统可以获取单独的或者连续的多个物理页面。 驱动程序如果需要使用比较大的地址空间可以利用这一层面的页面分配器提供的接口函数。这些函数或者是宏只能分配2的整数次幂个连续的物理页 下面给出mem_map – 物理内存页面 – 系统虚拟地址空间 之间的关系 物理内存页面被分为三个区域ZONE_HIGHMEM, ZONE_NORMAL, ZONE_DMA。mem_map集合中每个struct page 对象都与物理页面之间一一对应所以mem_map也会被分为三个区域。图中颜色相同的对应同一个区 在linux内核的初始化阶段虚拟地址空间中 物理页面直接映射区域 会被映射到 ZONE_NORMAL和ZONE_DMA中。进内核后可以直接通过页面分配器分配 物理页面直接映射这块区域的内存因为这块区域对应的页表项已经建立好了。他们的内核虚拟地址和物理地址之间只是有个一差值PAGE_OFFSET也就是图中的0xC000_0000。 如果页面分配器分配到的页面落在ZONE_HIGHMEM中此时内核是暂时没有对该页面进行映射的因此页面分配器的使用者需要作一些前置操作在内核虚拟地址空间的动态映射区或者固定映射区分配一个虚拟地址然后建立映射到这块区域的物理页面上。内核已经提供了实现这些步骤的接口函数 页面分配器所提供的接口函数对于UMA和NUMA系统都是一样的。 核心成员 alloc_pages__get_free_pages 这两个函数最后都是会调用到alloc_pages_node二者背后实现原理都是一样的 区别是__get_free_pages无法在高端内存区分配页面。 这两个函数有一些变体这些变体只是调整了一些参数然后换了个马甲。 gfp_mask gfp_mask是这些页面分配函数的一个重要参数决定了他们的分配行为可以告诉内核应该到哪一个zone中分配物理内存页面。 /** In case of changes, please dont forget to update* include/trace/events/mmflags.h and tools/perf/builtin-kmem.c*//* Plain integer GFP bitmasks. Do not use this directly. */ #define ___GFP_DMA 0x01u #define ___GFP_HIGHMEM 0x02u #define ___GFP_DMA32 0x04u #define ___GFP_MOVABLE 0x08u #define ___GFP_RECLAIMABLE 0x10u #define ___GFP_HIGH 0x20u #define ___GFP_IO 0x40u #define ___GFP_FS 0x80u #define ___GFP_ZERO 0x100u /* 0x200u unused */ #define ___GFP_DIRECT_RECLAIM 0x400u #define ___GFP_KSWAPD_RECLAIM 0x800u #define ___GFP_WRITE 0x1000u #define ___GFP_NOWARN 0x2000u #define ___GFP_RETRY_MAYFAIL 0x4000u #define ___GFP_NOFAIL 0x8000u #define ___GFP_NORETRY 0x10000u #define ___GFP_MEMALLOC 0x20000u #define ___GFP_COMP 0x40000u #define ___GFP_NOMEMALLOC 0x80000u #define ___GFP_HARDWALL 0x100000u #define ___GFP_THISNODE 0x200000u #define ___GFP_ACCOUNT 0x400000u #define ___GFP_ZEROTAGS 0x800000u #ifdef CONFIG_KASAN_HW_TAGS #define ___GFP_SKIP_ZERO 0x1000000u #define ___GFP_SKIP_KASAN 0x2000000u #else #define ___GFP_SKIP_ZERO 0 #define ___GFP_SKIP_KASAN 0 #endif #ifdef CONFIG_LOCKDEP #define ___GFP_NOLOCKDEP 0x4000000u #else #define ___GFP_NOLOCKDEP 0 #endif /* If the above are modified, __GFP_BITS_SHIFT may need updating */带有__下划线的宏留给内存管理部件内部使用内核也利用这些内部宏定义了一些给其他模块使用的宏 #define GFP_ATOMIC (__GFP_HIGH|__GFP_KSWAPD_RECLAIM) #define GFP_KERNEL (__GFP_RECLAIM | __GFP_IO | __GFP_FS) #define GFP_KERNEL_ACCOUNT (GFP_KERNEL | __GFP_ACCOUNT) #define GFP_NOWAIT (__GFP_KSWAPD_RECLAIM) #define GFP_NOIO (__GFP_RECLAIM) #define GFP_NOFS (__GFP_RECLAIM | __GFP_IO) #define GFP_USER (__GFP_RECLAIM | __GFP_IO | __GFP_FS | __GFP_HARDWALL) #define GFP_DMA __GFP_DMA #define GFP_DMA32 __GFP_DMA32 #define GFP_HIGHUSER (GFP_USER | __GFP_HIGHMEM) #define GFP_HIGHUSER_MOVABLE (GFP_HIGHUSER | __GFP_MOVABLE | __GFP_SKIP_KASAN) #define GFP_TRANSHUGE_LIGHT ((GFP_HIGHUSER_MOVABLE | __GFP_COMP | \__GFP_NOMEMALLOC | __GFP_NOWARN) ~__GFP_RECLAIM) #define GFP_TRANSHUGE (GFP_TRANSHUGE_LIGHT | __GFP_DIRECT_RECLAIM)最常用的是GFP_KERNEL与GFP_ATOMIC如果不指定__GFP_HIGHMEM或者__GFP_DMA默认就是__GFP_NORMAL优先在ZONE_KERNEL里分配其次是ZONE_DMA域。 GFP_DMA限制了页面分配器只能在ZONE_DMA中分配空闲的物理页面用于分配DMA缓冲区的内存。 alloc_pages /** Allocate pages, preferring the node given as nid. When nid NUMA_NO_NODE,* prefer the current CPUs closest node. Otherwise node must be valid and* online.*/ static inline struct page *alloc_pages_node(int nid, gfp_t gfp_mask,unsigned int order) {if (nid NUMA_NO_NODE)nid numa_mem_id();return __alloc_pages_node(nid, gfp_mask, order); }static inline struct page *alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order) {return alloc_pages_node(numa_node_id(), gfp_mask, order); }负责分配2的order次方个连续的物理页面并返回其实页的struct page实例。传入gfp_mask如果没有指明__GFP_HIGHMEM那么分配的物理页必然来自ZONE_NORMAL或者ZONE_DMA这两个区域在内核初始化阶段就建立了映射关系。 内核模块可以使用page_address来获得对应页面的内核虚拟地址KVA。 ZONE_NORMAL和ZONE_DMA的PA和KVA之间是简单的线性映射关系有一个PAGE_OFFSET差值 page_address宏的实现原理 unsigned long pfn (unsigned long)(page - mem_map); //页帧 unsigned long pg_pa pfn PAGE_SHIFT; //获得页面所在的物理地址 return (void* )__va(pg_pa); //KVA PAGE_OFFSET pg_pa如果gfp_mask __GFP_HIGHMEM那么页分配器将有限在ZONE_HIGHMEM域中分配物理页但也不排除因为ZONE_HIGHMEM没有足够的空闲页导致页面来自ZONE_NORMAL和ZONE_DMA。 新分配的来自高端物理区域的页面由于内核还没在页表建立映射所以需要 在内核的动态映射区域分配一个KVA操作页表KVA 映射到该物理页面 步骤2内核已经实现了这种函数kmap kmap/unkmap系统调用是用来映射高端物理内存页到内核地址空间的api函数 arch/arm/mm/highmem.c void *kmap(struct page *page) {might_sleep();if (!PageHighMem(page)){//如果是低端内存则直接返内存页对应的直接映射虚拟地址//printk(low mem page\n);return page_address(page);//所有的低端内存在内核初始化时就已经映射好了并且是不变得且物理到虚拟相差0xc0000000}else{//printk(high mem page\n);}return kmap_high(page);//高端内存页 }/*** kmap_high - map a highmem page into memory* page: struct page to map** Returns the pages virtual memory address.** We cannot call this from interrupts, as it may block.*/ void *kmap_high(struct page *page) {unsigned long vaddr;/** For highmem pages, we cant trust virtual until* after we have the lock.*/lock_kmap();vaddr (unsigned long)page_address(page);if (!vaddr)vaddr map_new_virtual(page); //建立MMU的页表项pkmap_count[PKMAP_NR(vaddr)];BUG_ON(pkmap_count[PKMAP_NR(vaddr)] 2);unlock_kmap();return (void *) vaddr; } EXPORT_SYMBOL(kmap_high);kmap在执行过程中可能会睡眠不能用于中断上下文中。 涉及页表建立开销比较大 kunmap函数拆除页表项中对page的映射同时来自动态映射区的KVA被释放出去使得KVA可以被用于映射其他的物理页面。 如果不想让kmap睡眠可以使用kmap_atomic原子执行且比kmap快。 alloc_page 是 alloc_pages 在order0时的简化形式分配单个页面。 __get_free_pages /** Common helper functions. Never use with __GFP_HIGHMEM because the returned* address cannot represent highmem pages. Use alloc_pages and then kmap if* you need to access high mem.*/ unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order) {struct page *page;page alloc_pages(gfp_mask ~__GFP_HIGHMEM, order);if (!page)return 0;return (unsigned long) page_address(page); } EXPORT_SYMBOL(__get_free_pages);函数注释里说的很清楚了绝不要使用__GFP_HIGHMEM因为返回的地址不会存在与高端内存页面。如果你要访问高端内存那你就通过alloc_pages然后kmap这种路子吧 即使传入__GFP_HIGHMEM也会将它mask掉 gfp_mask ~__GFP_HIGHMEM 返回的是KVA get_zero_page 分配物理页面并以0填充。返回的是内核线性地址 __get_dma_pages 从ZONE_DMA区域分配物理页面返回页面所在的内核线性地址 SLAB分配器 页面分配器分配出的内存粒度比较大如果需要更细的粒度比如几十几百字节的还得是SLAB分配器。slab是内核最早推出的小内存分配方案slob和slub分配器则是内核在2.6版本新增的替代品针对大型系统和嵌入式系统。 查看下节
http://www.pierceye.com/news/196995/

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