Linux内核架构详解（三）

Linux系统中内核是一个非常重要的一部分，那么Linux内核具体是什么样子呢？下面本篇文章和大家深入讲解一下Linux系统内核机构，有需要的朋友可以参考一下。

5.AMD64地址空间的设置

‎ 处理器必须隐藏对未实现的地址空间的访问。 一种做法是禁止使用超出物理地址空间的虚拟地址。 ‎

硬件所采用的方案， 符号扩展（sign extension）

注：1）虚拟地址的低47位，即[0,46],可以任意设置。

   2）比特位[47,63]的值总是相同的：或者全0，或者全1.此类地址称之为规范的。

   3）整个空间划分为3部分，下半部，上半部，二者之间的禁用区。

   4）上下两部分共同构成跨越2^48字节的一个地址空间。

   5）地址空间的下半部是[0x0,0x0000 7FFF FFFF FFFF]

   6 ) 地址空间的上半部是[0xFFF 800 0000 0000,0XFFFF FFFF FFFF FFFF].

   7）0x0000 7FFF FFFF FFFF是一个二进制数，低47位都是1，其他位都是0，因此是非可寻址区域之前的最后一个地址。

   8）0xFFFF 8000 0000 0000中，比特位[47,63]置位，从而是上半部的第一个有效地址。

注：1）可访问的地址空间的整个下半部用作用户空间，而整个上半部专用于内核。

   2）内核地址空间起始于一个起防护作用的空洞，以防止偶然访问地址空间的非规范部分。

   3）若出现这种情况，处理器会引发一个一般性保护异常（general protection exception）

   4）物理内存页则一致性映射到从PAGE_OFFSET开始的内核空间

   5）2^46字节（由MAXMEM指定）专用于物理页帧。

       include/asm-x86/pgtable_64.h#define __AC(X,Y)  (X##Y)                          #define _AC(X,Y)   __AC(X,Y)                       /*_用于对给定的常数标记后缀。eg._AC(17,UL)变为（17UL）相当于把常数标记为                                                     unsigned long类型。*/#define __PAGE_OFFSET _AC(0xffff810000000000,UL)#define PAGE_OFFSET __PAGE_OFFSET#define MAXMEM _AC(0X3fffffffffff，UL)
        另一个防护性空洞位于一致性映射区和vmalloc内存区之间，后者的范围从VMALLOC_START到VMALLOC_END虚拟内存映射（virtual memory map，VMM）内存区紧接着vmalloc内存区之后。只有内核使用了稀疏内存模型。VMM内存区的页表进行特定的设置，使得物理内存中所有的struct page 实例都映射到没有空洞的内存区中。include/asm-x86/pgtable_64.h#define VMALLOC_START _AC(0Xffffc20000000000,UL)#define VMALLOC_END _AC(0xffffe1ffffffffff，UL)
         include/asm-x86/page_64.h#define __PHYSICAL_START       CONFIG_PHYSICAL_START#define __KERNEL_ALIGN         0x200000#define __START_KERNEL         (__START_KERNEL_map + __PHYSICAL_START)#define __START_KERNEL_map      _AC(0xffffffff80000000,UL)#define KERNEL_TEXT_SIZE       (40*1024*1024)#define KERNEL_TEXT_START       _AC(0xffffffff80000000,UL)映射模块的内存区从MODULES_VADDR到MODULES_END#define MODULES_VADDR _AC(0xffffffff88000000，UL)#deifne MODULES_END _AC(0xfffffffffffff00000,UL)#define MODULES_LEN(MODULES_END - MODULES_VADDR)                         /*该内存区可用的内存数量由MODULES_LEN计算*/

3.4.3启动过程期间的内存管理

1）bootmem分配器用于在启动阶段早期分配内存。

2） 最先适配（first-fit)分配器用于在启动阶段管理内存。

      该分配器使用一个位图来管理页，位图比特位的数目与系统中物理内存页的数目相同，比特位为1，表示已用页，比特位为

      0，表示空闲页。

3） 最先最佳（first-best）或者最先适配位置

     在需要分配内存时，分配器逐位扫描位图，直到找到一个能提供足够连续页的位置，

‎ 该过程不高效。 每次分配都从头扫描比特链，因此在内核完全初始化后，不能将该分配器用于内存管理。 ‎

1.数据结构

1）内核（为系统中的每个节点都）提供了一个bootmem_data结构的实例来管理一些数据。

2）该结构所需的内存无法动态分配，必须在编译时分配给内核。

‎ 3）内存不连续的系统可能需要多个bootmem分配器。 如果物理地址空间中散步着空洞，也可以为每个连续内存区注册一个bootmem分配器。 ‎

       typedef struct bootmem_data{        unsigned long node_boot_start;   /*保存了系统中第一个页的编号，大多数体系结构下都是0*/        unsigned long node_low_pfn;      /*可以直接管理的物理地址空间中最后一页的编号，即ZONE_NORMAL的结束页*/        void *node_bootmem_map;          /*指向存储分配位图的内存区的指针。*/        unsigned long last_offset;       /*如果没有请求分配整个页，则last_offset用作该页内部的偏移量。这使得bootmem分配                                           器可以分配小于一整页的内存区*/        unsigned long last_pos;          /*是上一次分配的页的编号。*/        unsigned long last_success;      /*指定位图中上一次成功分配内存的位置，新的分配将由此开始。*/        struct list_head list;}bootmem_data_t;

注册新的自举分配器可使用init_bootmem_core,所有注册的分配器保存在一个链表中，表头是全局变量bdata_list

在UMA系统上，只需一个bootmem_t实例，即contig_bootmem_data.它通过bdata成员与contig_page_data关联起来

       mm/page_alloc.cstatic bootmem_data_t contig_bootmem_data;struct pglist_data contig_page_data = {.bdata = &contig_bootmem_data};

***初始化

‎ IA-32使用setup_memory,该函数又调用setup_memory,该函数又调用setup_bootmem_allocator来初始化bootmem分配器。 而AMD64则使用contig_initmem_init ‎

注：1）setup_memory分析检测到的内存区，以找到低端内存区中最大的页帧号。

   2）全局变量max_low_pfn保存了可映射的最高页的编号。

‎ 3 )setup_bootmem_allocator负责发起所有有必要的步骤，已初始化bootmem分配器。 他首先调用函数init_bootmem,该函数是 ‎‎init_bootmem_core‎‎的一个前端。 ‎

‎ 4） ‎‎init_bootmem_core‎‎ ‎‎的目的在于执行bootmem分配器的第一个初始化步骤。 ‎

3对内核的接口（Application Programming Interface,API）

***分配内存

1）alloc_bootmem(size)和alloc_bootmem_pages(size)指按指定大小在ZONE_NORMAL内存域分配内存。

       ————数据是对齐的，这使得内存或者 从可适用于L1高速缓存的理想位置开始，或者从边界开始。

       ———— _pages是指数据的对齐方式。

2）alloc_bootmem_low和alloc_bootmem_low_pages在ZONE_DMA内存域分配内存。

3）基本上NUMA系统的API相同，但函数名增加了_node后缀，与UMA系统的函数相比，还需要一个额外的参数，指定用于内存分配的节点。

4）这些函数都是alloc_bootmem的前端，后者将实际工作委托给alloc_bootmem_nopanic.

       ————这些分配器都保存在一个全局链表中，__alloc_bootmem_core会遍历所有的分配器，直至分配成功为止。

5）在NUMA系统上，alloc_bootmem_node则用于实现该API函数，首先工作传递到alloc_bootmem_core,尝试该节点的bootmem分配器进行分配，如果失败，则后退到_alloc_bootmem,并将尝试所有节点。

     mm/bootmem.cvoid *_init _alloc_bootmem(unsigned long size,unsigned long align,unsigned long goal)                                /*size是所需内存区的长度，align表示数据的对齐方式。goal指定了开始搜索适当空闲内存区的起始地址。*/
      #define alloc_bootmem(x) __alloc_bootmem((x),SMP_CACHE_BYTES, __pa(MAX_DMA_ADDRESS))/*所需分配内存的长度（x）未做任何改变直接传递                                                                                      给_alloc_bootmem,但内核对齐方式有两个选                                                                                      项                                                                                     */#define alloc_bootmem_low(x) __alloc_bootmem((x),SMP_CACHE_BYTES,0)                 /*SMP_CACHE_BYTES会对齐数据，使之在大多数                                                                                      体系结构上能够理想的置于L1高速缓存中。*/#define alloc_bootmem_pages(x) __alloc_bootmem((x),PAGE_SIZE,__pa(MAX_DMA_ADDRESS)) /*PAGE_SIZE将数据对齐到页边界*/#define alloc_bootmem_low_pages(x) _alloc_bootmem((x),PAGE_SIZE,0)                  /*后一种对齐方式是用于分配一个或多个整页*/

注：1）低端DMA内存与普通内存的区别在于其起始地址，搜索适用于DMA的内存从地址0开始，而请求普通内存时则从MAX_DMA_ADDRESS向上(_pa将内存地址转换为页号）

   _alloc_bootmem_core函数

  （1）从goal开始，扫描位图，查找满足分配请求的空闲内存区。

  （2）如果目标页紧接着上一次分配的页，即bootmem_data->last_pos,内核会检查bootmem_data->last_offset,判断所需的内存（包括对齐数据所需的空间）是否能够在上一页分配或从上一页开始分配。

  （3）新分配的页在位图对应的比特位设置1，最后一页的数目也保存在bootmem_data->last_pos.如果该页未完全分配，则相应的偏移量保存在bootmem_data->last_offset,否则该值设置为0.

***释放内存

‎ 内核提供了free_bootmem函数来释放内存。 它需要两个参数，需要释放的内存区的起始地址和长度。 ‎

     void free_bootmem(unsigned long addr,unsigned long size);void free_bootmem_node(pg_data_t *pgdat,unsigned long addr,unsigned long size);

1）两个版本都将其工作委托给__free_bootmem_core.因为bootmem分配器没有保存有关页划分的任何信息。

2）内核使用__free_bootmem_core首先计算完全包含在该内存区中，将被释放的页。

3）位图中对应的项设置为0，完成的页的释放。

4.停用bootmem分配器

‎（乌马） free_all_bootmem free_all_bootmem_node‎

1）扫描bootmem分配器的页位图，释放每个未使用的页。

2）到伙伴系统的接口是__free_pages_bootmem函数，该函数对每个空闲页调用。

3）该函数依赖于标准函数__free_page

4）它使得这些页并入伙伴系统的数据结构，在其中作为空闲页管理，可用于分配。

5）在页位图已经完全扫描之后，它占据的内存空间也必须释放，此后，只有伙伴系统可用于内存分配。

5释放初始化数据

1）内核提供了两个属性（init和initcall）用于标记初始化函数和数据，这些必须置于函数或数据的声明之前。

3.5物理内存的管理

3.5.1伙伴系统的结构

‎ 系统内存中的每个物理内存页（页帧），都对应于一个struct page实例。 每个内存域都关联了一个struct zone实例。 其中保存了用于管理伙伴数据的主要数组。 ‎

     struct zone{...    /*     *不同长度的空闲区域     */     struct free_area free_area[MAX_ORDER];        /*free_area[]数组中的各个元素的索引也解释为阶，用于指定对应链表中的连续内存区                                                     包含多少个页帧。eg.第0个链表包含的内存区为单页（2^0=1）...第3个管理的内存区                                                     为4页，以此类推*/...};free_area是一个辅助数据结构定义：struct free_area{       struct list_head free_list[MIGRATE_TYPES];  /*用于连续空闲页的链表，页表包含大小相同的连续内存区*/       unsigned long nr_free;                      /*指定了当前内存区中空闲页块的数目*/};

内存块的长度是2^order,其中order的范围从0到MAX_ORDER.

      #ifndef CONFIG_FORCE_MAX_ZONEORDER#define MAX_ORDER 11                               /*该常数通常是11，即一次分配可以请求的页数最大是2^11=2048*/#else#define MAX_ORDER CONFIG_FORCE_MAX_ZONEORDER#endif#define MAX_ORDER_NR_PAGES(1
内存区中第一页内的链表元素，可用于将内存区维持在链表中。

注：1）伙伴不必是彼此连接的。
‎ 2）若一个内存区在分配期间分解为两半，内核会自动将未用的一半加入到对应的链表中。 若某个时刻，由于内存的释放，两个内存区都处于空闲状态，可通过其地址判断其是否为伙伴。 ‎
‎ 3）基于伙伴系统的内存管理专注于某个节点的某个内存域。 DMA或者高端内存域。 但所有的内存域和节点的伙伴系统都通过备用分配列表连接起来。 ‎
   4）在首选的内存域或节点无法满足内存分配请求时，首先尝试同一个节点的另一个内存域，接下来再尝试另一个节点，直至满足请求。

3.5.2避免碎片
反碎片（anti-fragmentation）：试图从一开始尽可能防止碎片。
工作原理：
‎ 1）不可移动页。 在内存中有固定的位置，不能移动到其他的地方。 ‎
‎ 2）可回收页。 不能直接移动，但可以删除，其内容可以从某些源重新生成。 ‎
‎ 3）可移动页。 可以随意的移动。 属于用户空间应用程序的页属于该类别。 它们是通过页表映射的，如果他们复制到新的位置，页表项可以相应的更新，应用程序不会注意到任何事。 ‎
至此关于Linux系统内核讲解的全部教程分享结束，大家有任何问题都可以在评论区留言啊。
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