一，概述

• 內(nèi)存通過節(jié)點(diǎn)(pg_data_t)來管理，每個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)到系統(tǒng)中的一個(gè)處理器節(jié)點(diǎn)又進(jìn)一步劃分為內(nèi)存域，是對(duì)內(nèi)存的進(jìn)一步細(xì)分，一個(gè)節(jié)點(diǎn)最多有3個(gè)內(nèi)存域。各個(gè)內(nèi)存域關(guān)聯(lián)了一個(gè)數(shù)組，用來組織屬于該內(nèi)存域的物理內(nèi)存頁(頁幀)。對(duì)各個(gè)頁幀，都分配了一個(gè)struct page實(shí)例以及所需的管理數(shù)據(jù)。除了節(jié)點(diǎn)自己的內(nèi)存域，每個(gè)節(jié)點(diǎn)還提供了一個(gè)備用列表(struct zonelist)，該列表包含了其他節(jié)點(diǎn)，可用于代替當(dāng)前節(jié)點(diǎn)分配內(nèi)存。

二，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1. 內(nèi)存域類型

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1. node_zones：包含了節(jié)點(diǎn)內(nèi)各內(nèi)存域的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).

2. node_zonelists：指定了備用節(jié)點(diǎn)及其內(nèi)存域的列表，如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)沒有可用空間時(shí)，可在備用節(jié)點(diǎn)內(nèi)分配內(nèi)存

3. nr_zones：節(jié)點(diǎn)內(nèi)內(nèi)存域的個(gè)數(shù)

4. node_mem_map：包含節(jié)點(diǎn)內(nèi)的所有物理內(nèi)存頁

5. bdata：指向自舉內(nèi)存分配器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)例

6. node_start_pfn：該節(jié)點(diǎn)內(nèi)第一個(gè)頁幀的邏輯編號(hào)，系統(tǒng)內(nèi)所有頁幀是依次編號(hào)的，每個(gè)頁幀的號(hào)碼是全局唯一的

7. node_present_pages：節(jié)點(diǎn)中頁幀的個(gè)數(shù)

8. node_spanned_pages：節(jié)點(diǎn)中包含空洞的頁幀個(gè)數(shù)

9. node_id：全局節(jié)點(diǎn)ID

10. pgdat_next：連接到下一個(gè)內(nèi)存節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)中的所有內(nèi)存節(jié)點(diǎn)都通過單鏈表連接起來.

11. kswapd_wait：交換守護(hù)進(jìn)程的等待隊(duì)列.

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1. 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2. static inline void node_set_state(int node, enum node_states state)

3. static inline void node_clear_state(int node, enum node_states state)

3.內(nèi)存域

1. ZONE_PADDING：生成填充字段，使常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處于自身的緩沖行中

2. pages_min, pages_high，pages_low：頁換出時(shí)使用的內(nèi)存水印，如果內(nèi)存不足，內(nèi)核可以將頁寫到硬盤

3. 空閑頁多于pages_high：內(nèi)存域是理想狀態(tài)

4. 空閑頁低于pages_low：內(nèi)核開始將頁換出到硬盤

5. 空閑頁低于page_min：頁回收工作壓力大

6. lowmem_reserve：用于一些無論如何都不能失敗的關(guān)鍵性內(nèi)存分配，分別為各個(gè)內(nèi)存域指定了若干頁

7. pageset：用于實(shí)現(xiàn)每個(gè)CPU的熱/冷頁幀列表，用于保存可用于滿足分配的新鮮頁，仍然在高速緩存中的稱為熱頁

8. free_area：用于實(shí)現(xiàn)伙伴系統(tǒng)，每個(gè)數(shù)組元素表示固定長(zhǎng)度的一些連續(xù)內(nèi)存區(qū)

9. active_list：活動(dòng)頁的集合

10. inactive_list：不活動(dòng)頁的集合

11. nr_scan_active和nr_scan_inactive：內(nèi)存回收時(shí)需要掃描的活動(dòng)和不活動(dòng)頁的數(shù)據(jù)

12. pages_scanned：從上次換出一頁以來，有多少頁未能成功掃描

13. flags：內(nèi)存域的當(dāng)前狀態(tài)

1. ZONE_ALL_UNRECLAIMABLE：頁無法回收

2. ZONE_RECLAIM_LOCKED：CPU回收內(nèi)存域時(shí)設(shè)置，阻止其他CPU進(jìn)行同樣操作

3. ZONE_OOM_LOCKED：內(nèi)核試圖殺死消耗進(jìn)程最多的進(jìn)程時(shí)設(shè)置該標(biāo)志位

4. vm_stat：維護(hù)該內(nèi)存域的統(tǒng)計(jì)信息

5. prev_priority：上一次掃描該內(nèi)存域的優(yōu)先級(jí)

6. wait_table, wait_table_bits和wait_table_hash_nr_entries實(shí)現(xiàn)了一個(gè)等待隊(duì)列，可用于等待某一頁表變?yōu)榭捎玫倪M(jìn)程

7. zone_pgdat：指向父節(jié)點(diǎn)

4.內(nèi)存域水印

• 在計(jì)算內(nèi)存水印前，內(nèi)核首先要確定為關(guān)鍵性分配保留的內(nèi)存空間的最小值，該值隨可用內(nèi)存大小而非線性增長(zhǎng)，并保存在全局變量min_free_kbytes中，一個(gè)不變的約束是不能少于128k也不能多于64MB。

• 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中水印值的填充由init_per_zone_pages_min處理，該函數(shù)在內(nèi)核啟動(dòng)期間調(diào)用，主要調(diào)用如下兩個(gè)函數(shù):

• setup_per_zone_pages_min負(fù)責(zé)設(shè)置struct zone中的pages_min,pages_low和pages_high成員，在計(jì)算出高端內(nèi)存區(qū)域之外的頁面總數(shù)后(保存在lowmem_pages)，內(nèi)核迭代系統(tǒng)中的所有內(nèi)存域并執(zhí)行相關(guān)計(jì)算

• lowmem_reserve的計(jì)算由setup_per_zone_lowmem_reserve完成，內(nèi)核迭代系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的各個(gè)內(nèi)存域分別計(jì)算預(yù)留內(nèi)存最小值

5. 冷熱頁

• struct zone的pageset成員用于實(shí)現(xiàn)冷熱分配器，熱頁是指那些加載到CPU高速緩存的頁，其數(shù)據(jù)訪問速度比不在高速緩存中的冷頁快

1. cout：該列表相關(guān)的頁的數(shù)目

2. high：如果count > high則表明列表中的頁太多了

3. list：雙鏈表，保存了當(dāng)前CPU的冷頁或者熱頁

6. 頁幀

• 頁幀是系統(tǒng)內(nèi)存的最小單位，對(duì)內(nèi)存中的每一個(gè)頁都會(huì)創(chuàng)建struct page的一個(gè)實(shí)例

• 頁的廣泛使用，增加了struct page的復(fù)雜性(內(nèi)核不同部分對(duì)相同的數(shù)據(jù)有不同的解釋)和保持結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的難度。

1. slab,freelist和inuse用于slub分配器

2. flags存儲(chǔ)了和體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的標(biāo)志，用于描述頁的屬性

3. _count是一個(gè)使用計(jì)數(shù)，表示內(nèi)核中引用該頁的次數(shù)

4. _mapcount表示在頁表中有多少項(xiàng)指向該頁

5. lru是一個(gè)表頭，用于在各種鏈表上維護(hù)該頁，以便將頁按照不同類別分組，最重要的類別是活動(dòng)和不活動(dòng)頁

6. 內(nèi)核可以將多個(gè)毗連的頁合并為較大的復(fù)合頁，第一個(gè)頁稱作首頁，而所有其余各頁叫做尾頁，所有尾頁對(duì)應(yīng)的page實(shí)例，都將first_page設(shè)置為指向首頁

7. mapping指定了頁幀所在的地址空間，index是頁幀在映射內(nèi)部的偏移量，地址空間是一個(gè)非常一般的概念，例如，可以用在向內(nèi)存讀取文件時(shí)，用于將文件的內(nèi)容與裝載數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)關(guān)聯(lián)起來。通過一個(gè)小技巧，mapping不僅能保存一個(gè)指針，還能包含一些額外的信息，用于判斷頁是否屬于某個(gè)未關(guān)聯(lián)到地址空間某個(gè)匿名內(nèi)存區(qū)：如果將mapping最低位置1，該指針指向另外一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(anon_vma),這個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)現(xiàn)匿名映射的逆向映射很重要

8. private指向私有數(shù)據(jù)的指針，根據(jù)頁的用途，可以用不同方式使用該指針

9. virtual用于高端內(nèi)存區(qū)域中的頁

10. 體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的標(biāo)志

11. PG_locked:鎖定頁面不允許內(nèi)核的其他部分訪問.

12. PG_error:涉及該頁的I/O操作期間發(fā)生錯(cuò)誤.

13. PG_referenced, PG_active:控制系統(tǒng)中使用該頁的活躍程度.

14. PG_uptodate:頁的數(shù)據(jù)已經(jīng)從塊設(shè)備讀取，其間沒有出錯(cuò)

15. PG_dirty:與硬盤上的數(shù)據(jù)相比，頁的內(nèi)容發(fā)生改變.

16. PG_lru:有助于實(shí)現(xiàn)頁面回收和切換，內(nèi)核使用兩個(gè)最近最少使用鏈表來區(qū)分活動(dòng)頁和不活動(dòng)頁，如果頁在其中一個(gè)鏈表中，該位置位，如果在活動(dòng)鏈表中，PG_active會(huì)置位

17. PG_highmem:頁在高端內(nèi)存中

18. PG_private:表明page的private成員非空

19. PG_writeback:頁的內(nèi)容處于向塊設(shè)備回寫過程中

20. PG_slab:頁是slab分配器的一部分

21. PG_swapcache:頁處于交換緩存中

22. PG_reclaim:內(nèi)核決定回收特定頁時(shí)設(shè)置

23. PG_compound:該頁屬于一個(gè)更大復(fù)合頁

24. PG_buddy:表明頁空閑且包含在伙伴系統(tǒng)的列表中