物理内存管理

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[TOC]

体系结构

• 非一致内存访问（Non-Uniform Memory Access，NUMA）：
  • 内存被划分成多个内存节点的多处理器系统
  • 访问一个内存节点花费的时间取决于处理器和内存节点的距离
  • 每个处理器有一个本地内存，访问本地内存速度比较快
• 对称多处理器（Symmetric Multi-Processor，SMP）：
  • 一致内存访问
  • 所有处理器访问内存花费时间相同
  • 每个处理器仅在内核初始化的时候不平等，0 号处理器作为引导处理器负责初始化内核。

内存模型

内存模型：

• 平坦内存（Flat Memory）：内存的物理地址连续
• 不连续内存（Discontiguous Memory）：内存的物理地址空间存在空洞，可以高效处理空洞
• 稀疏内存（Sparse Memory）：内存的物理地址空间存在空洞，支持内存热拔插

出现空洞的原因：

• 多块物理内存
• 一块内存也可能存在空洞

为什么需要多个内存模型：

平坦内存会为空洞分配page结构体，会浪费内存；不连续内存可以高效处理空洞；稀疏内存可以支持内存热插拔。

内存管理三级结构

节点（node）、区域（zone）和页（page）

内存节点（node）

• NUMA 系统的内存节点，根据处理器和内存的距离划分
• 在具有不连续内存的 UMA 系统中，根据物理地址是否连续划分，每块物理地址连续的内存是一个内存节点

内存节点使用一个pglist_data结构体描述内存布局

内存区域（zone）

内存区域类型：

• ZONE_DMA
• ZONE_DMA32
• ZONE_NORMAL
• ZONE_HIGHMEM
• ZONE_MOVABLE
• ZONE_DEVICE

物理页（page）

• 每个物理页对应一个 page 结构体，称为页描述符
• 在系统启动时会初始化所有物理页对应的 page

物理内存管理_2021-09-30-10.36.38.excalidraw

• SECTION：稀疏内存模型的段编号
• NODE：节点编号
• ZONE：区域类型
• FLAGS：标志位

伙伴分配器

内核初始化后，使用页分配器管理物理页，当前使用的页分配器是伙伴分配器，该算法简单且高效。

基本概念

• 页块（page block）：连续的物理页
• 阶（order）：页的数量单位，$2^n$个连续页称为 $n$ 阶页块
• 伙伴（buddy）：满足以下条件的两个$n$阶页块
  • 两个页块相邻，即物理地址连续
  • 页块的第一页的物理页号是$2^n$的整数倍
  • 如果合成为（n+1）阶页块，第一页的物理页必须是$2^{n+1}$的整数倍
• 每个分区有其独享的伙伴分配器

分配算法

伙伴分配器分配和释放物理页的数量单位是阶。

分配$n$阶页块的过程可以分为查找$n$阶空闲页块，分配$n$阶空闲页块两个步骤：

查找$n$阶空闲页块过程如下：

查看是否有空闲的$n$阶页块：

• 如果有，则直接返回该空闲$n$阶页块
• 如果没有，则递归查找空闲$n+1$阶页块，并将$n+1$阶页块分裂成两个$n$阶页块，一个插入到空闲$n$阶页块链表，一个返回。

释放$n$阶页块过程：

查看其伙伴是否空闲：

• 如果伙伴不空闲，则插入到空闲$n$阶页块链表
• 如果伙伴空闲，则合并成$n+1$阶页块，并释放$n+1$阶页块。

Reference

• Linux内核深度解析