Linux如何为其物理分配器分配内存？

Question

Linux如何为其物理分配器分配内存？

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最近我在深入研究Linux的内存管理，因为我想为自己的玩具内核实现类似的功能，所以我希望熟悉细节的人能帮助我理解一件事情。显然，物理内存管理器是一个伙伴算法，进一步专门化为返回特定顺序（0到9，其中0只是一个单独的页面）的页面块。对于每个顺序，块都存储为链接列表。例如，如果请求顺序5的块但未在顺序5的块列表中找到，则算法会在顺序6中搜索块，将其分成两半，给出请求的一半并将另一半移动到更低的顺序（因为它的大小减半了）。

我不明白的是内核如何存储这些结构，或者内核如何为它们分配空间。因为对于顺序0的页面，您需要1M个条目（每个条目是4KiB的页面），这是否意味着内核分配了1MiB * sizeof(struct page)的空间？那么顺序1及以上的块呢？内核是否通过将它们标记为更高的顺序来重用已分配的块，并在需要将其分成两半时返回块并获取未使用的块？

- Ivan Stanev

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一些有用的链接：Buddy http://en.wikipedia.org/wiki/Buddy_memory_allocation，Mel Gorman的书《Understanding the Linux Virtual Memory Manager》-第2章“描述物理内存”https://www.kernel.org/doc/gorman/html/understand/understand005.html和Mauerer的书《Professional Linux Kernel Architecture》，第3.5节“物理内存管理”。 - osgx

我已经通过这些链接进行了研究，但它们并没有回答我的问题，因为它们只是理论，而不是实际实现。我想知道Linux如何设置内存结构，将它们放置在物理内存中，如何为代表页面的这些块保留内存...因为为了将一个块分成两个块，它必须有两个新块来表示它们（或者如果可以重用分裂块，则只需要一个新块）。所有这些理论都没有解释如何实际做到这一点！在内核源代码中没有一个简单的init()函数... - Ivan Stanev

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请查看《专业 Linux 内核架构》一书，其中所有代码都有详细描述（3.5、3.5.3 - 第209页）。我会尽快发布答案。 - osgx

如果实现简单，例如存储位图，每个位表示一个节点，您可以保留2M-1位，即大约256KiB的内存。子节点将被找到为parent2和parent2 + 1，而子节点的父节点将被找到为child/2。查找伙伴可能只需要确定当前节点位是奇数还是偶数，并添加或减去1以找到伙伴。该映射可以存储在物理范围0x00100000至0x00140000中！但是Linux并不这么简单，节点是结构体，而不是位！我正在努力理解它们在内存中如何操作... - Ivan Stanev

@osgx 好的，我会做！ - Ivan Stanev

1个回答

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原文链接

- osgx · Accepted Answer

我不明白的是内核如何存储这些结构体，或者它如何为它们分配空间。因为对于0级页面，您需要1M个条目（每个条目是4KiB页面），这是否意味着内核分配了1MiB * sizeof(struct page)的空间？

通过调用paging_init()（arch/x86/mm/init_32.c; 一些描述 - https://www.kernel.org/doc/gorman/html/understand/understand005.html 2.3区域初始化和http://repo.hackerzvoice.net/depot_madchat/ebooks/Mem_virtuelle/linux-mm/vminit.html初始化内核页表）从setup_arch()中进行区域初始化，通过（native_pagetable_init()和间接调用1166 x86_init.paging.pagetable_init();）：

690 /*
691  * paging_init() sets up the page tables - note that the first 8MB are
692  * already mapped by head.S.
...*/
697 void __init paging_init(void)
698 {
699         pagetable_init();
...
711         zone_sizes_init();
712 }

pagetable_init() 在 swapper_pg_dir 数组的 1024 个 pgd_t 中创建内核页表。

zone_sizes_init() 实际上定义了物理内存的区域，并调用 free_area_init_nodes() 来初始化它们，对于每个 NUMA 节点for_each_online_node(nid) {...} 在 free_area_init_node() 中实际执行，该函数调用了三个函数：

calculate_node_totalpages() 打印每个节点在 dmesg 中的页面计数
alloc_node_mem_map() 实际上为该节点中的每个物理页面分配 struct page；它们的内存是由 bootmem 分配器 doc1 doc2 分配的（您可以使用 bootmem_debug=1 内核启动选项查看其调试信息）：

4936 size = (end - start) * sizeof(struct page);

4937 map = alloc_remap(pgdat->node_id, size);

if (!map) map = memblock_virt_alloc_node_nopanic(size, pgdat->node_id);

free_area_init_core()（同时在struct zone中填充位图）。旧内核中描述了free_area_init_core的功能，如http://repo.hackerzvoice.net/depot_madchat/ebooks/Mem_virtuelle/linux-mm/zonealloc.html#INITIALIZE所述：

free_area_init_core()在其中构建内存映射，并初始化自由列表和伙伴位图。

每个区域的订单免费列表被初始化，并将订单标记为没有任何免费页面：free_area_init_core() -> init_currently_empty_zone() -> zone_init_free_lists：

4147 static void __meminit zone_init_free_lists(struct zone *zone)
4148 {
4149         unsigned int order, t;
4150         for_each_migratetype_order(order, t) {
4151                 INIT_LIST_HEAD(&zone->free_area[order].free_list[t]);
4152                 zone->free_area[order].nr_free = 0;
4153         }
4154 }

PS：在内核中有一个init()函数，它被称为start_kernel()，而LXR（Linux交叉引用）可以帮助您在函数之间导航（我发布了lxr.free-electrons.com的链接，但有几个在线LXR）：

501 asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
...
528         boot_cpu_init();
529         page_address_init();
530         pr_notice("%s", linux_banner);
531         setup_arch(&command_line);