《深入理解LINUX内存管理》学习笔记

引子

为什么要写这个笔记：

1，这本书的中文版翻译了太垃圾，没法阅读。阅读英文原版，可以很好的理解作者的思路。作此笔记备忘

2，一直以来学习LINUX kernel的知识缺乏系统化，借对这本书的学习，系统化的学习一下LINUX kernel。

3，自己一直在做一个too small，too simple的单进程，特权模式，64bit保护模式的称不上OS的ＯＳ，已经做完了bootloader, 构思kernel的实现的时候，困惑在内存管理的实现上，阅读这本书，希望能有利于自己的OS的编写。

4，克服惰性，多读书，希望一天能阅读5页，争取半年内阅读完这本原版700多页的巨著。 不足：

我不可能完全理解LINUX 内存管理的精髓，肯定有很多地方理解错误。希望大家能够指正，以便提高，谢谢。 学习方法：

可能您第一次阅读的时候很多地方都不理解，不用担心。那您可能需要阅读一些文件系统的知识。

或者阅读全部笔记后，再回头阅读，有些地方您就理解了。

言归正传：

一、概要

可用工具

CodeViz: 生成代码调用关系图的工具，这个工具我现在还没有去使用，有兴趣的可以自己试试去建立调用关系图。

http://www.csn.ul.ie/~mel/projects/codeviz/

Linux cross reference (LXR): 以web的方式阅读和查找LINUX内核源代码的工具。这个工具安装相当麻烦，我建议直接到它的官方网站直接读代码。 http://lxr.linux.no/linux+v2.6.24/

模块

LINUX内存管理代码模块主要分为4个部分：

1. Out of memory 代码在mm/oom_kill.c 貌似用于杀进程的时候对内存的操作 2. 虚拟内存的分配 代码在mm/vmalloc.c

3. 物理内存页面分配 代码在mm/page_alloc.cVMA（virtual memory addresses)的 创建

和进程内的内存区域的管理

4. 这些模块，贯穿与其他kernel代码之中，形成更复杂的系统模块，如页面替换策略，

buffer的输入输出等

二、物理内存

从硬件角度看内存系统，有2种主流的体系结构，不一致的内存访问系统（NUMA），我不知道什么系统在用这样模式，这种系统将内存系统分割成2块区域 （BANK），一块是专门给CPU去访问，一块是给外围设备板卡的DMA去访问。另外一种体系结构，是一致的内存访问系统（UMA），PC都是用的这种结 构，这种结构的对于CPU和其他外围设备访问的内存在一块内存条上，没有任何不同。

LINUX内核需要支持这2种体系结构。它引入了一个概念称为node，一个node对应一个bank，对于UMA体系的，系统中只有一个node。在LINUX中引入一个数据结构“struct pglist_data”,来描述一个node，定义在include/linux/mmzone.h文件中。（这个结构被typedef pg_data_t）

对于NUMA系统来讲， 整个系统的内存由一个node_data的pg_data_t指针数组来管理。（因为可能有多个node）对于PC这样的UMA系统，使用struct pglist_data contig_page_data，作为系统唯一的node管理所有的内存区域。（UMA系统中中只有一个node）

每 个node又被分成多个zone，它们各自描述在内存中的范围。zone由struct zone_struct 数据结构来描述。zone的类型由zone_t表示，有ZONE_DMA, ZONE_NORMAL, ZONE_HIGHMEM这三种类型。它们之间的用途是不一样的，ZONE_DMA类型的内存区域在物理内存的低端，主要是ISA设备只能用低端的地址做 DMA操作。ZONE_NORMAL类型的内存区域直接被内核映射到线性地址空间上面的区域（line address space），以后的章节将详细描述。ZONE_HIGHMEM将保留给系统使用。

在PC系统中，内存区域类型如下分布： ZONE_DMA 0-16MB

ZONE_NORMAL 16MB-896MB

ZONE_HIGHMEM 896MB-物理内存结束

大多数kernel的操作只使用ZONE_NORMAL区域，

系 统内存由很多固定大小的内存块组成的，这样的内存块称作为“页”（PAGE），x86体系结构中，page的大小为4096个字节。每个物理的页由一个 struct page的数据结构对象来描述。页的数据结构对象都保存在mem_map全局数组中。从载入内核的低地址内存区域的后面内存区域，也就是 ZONE_NORMAL开始的地方的内存的页的数据结构对象，都保存在这个全局数组中。

因为ZONE_NORMAL区域的内存空间也是有限的，所以LINUX也支持High memory的访问，这个下面章节会描述，这个章节，将主要描述node，zone，page及它们之间的关联。

Nodes

表示node的数据结构为pg_data_t, 也就是struct pglist_data, 这个结构定义在中：

typedef struct pglist_data {

struct zone node_zones[MAX_NR_ZONES];

struct zonelist node_zonelists[MAX_ZONELISTS]; int nr_zones;

struct page *node_mem_map; struct bootmem_data *bdata; unsigned long node_start_pfn;

unsigned long node_present_pages; /* total number of physical pages */ unsigned long node_spanned_pages; /* total size of physical page range, including holes */ int node_id;

wait_queue_head_t kswapd_wait; struct task_struct *kswapd; int kswapd_max_order; } pg_data_t;

node_zones: 分别为ZONE_DMA,ZONE_NORMAL,ZONE_HIGHMEM

node_zonelists: 分配内存操作时的区域顺序，当调用free_area_init_core()时，由mm/page_alloc.c文件中的build_zonelists()函数设置。

nr_zones: node中的zone的数量，1到3个之间。并不是所有的node都有3个zone的，比如有些就没有ZONE_DMA区域。

node_mem_map: node中的第一个page，它可以指向mem_map中的任何一个page。 bdata: 这个仅用于boot 的内存分配，下面再描述

node_start_pfn: pfn是page frame number的缩写。这个成员是用于表示node中的开始那个page在物理内存中的位置的。

2.4以前的版本，用物理地址来表示的，后来由于硬件的发展，物理内存很可能大于32bit所表示

4G的内存地址，所以改为以页为单位表示。 node_present_pages: node中的真正可以使用的page数量

node_spanned_pages: node中所有存在的Page的数量，包括可用的，也包括被后面讲到的mem_map所占用的，dma所占用的区域的。（做了修正）

英文原版是这么描述的：\the node, including

any holes that may exist.可能是包括hold的node可以访问的区域的数量吧。 node_id: node的NODE ID，从0开始 kswapd_wait: node的等待队列

对于单一node的系统，contig_page_data是系统唯一的node数据结构对象。

Zone

每个zone都由一个struct zone数据结构对象描述。zone对象里面保存着内存使用状态信息，如page使用统计，未使用的内存区域，互斥访问的锁（LOCKS）等。 struct zone在

中定义（把不关心的NUMA和memory hotplug相关的成员给省略掉了）： struct zone {

unsigned long free_pages;

unsigned long pages_min, pages_low, pages_high; unsigned long lowmem_reserve[MAX_NR_ZONES];

struct per_cpu_pageset pageset[NR_CPUS];

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