Linux内存描述之内存节点node–Linux内存管理(二)

日期	内核版本	架构	作者	GitHub	CSDN
2016-06-14	Linux-4.7	X86 & arm	gatieme	LinuxDeviceDrivers	Linux内存管理

#1 前景回顾

前面我们讲到服务器体系(SMP, NUMA, MPP)与共享存储器架构(UMA和NUMA)

#1.1 UMA和NUMA两种模型

共享存储型多处理机有两种模型

• 均匀存储器存取（Uniform-Memory-Access，简称UMA）模型

• 非均匀存储器存取（Nonuniform-Memory-Access，简称NUMA）模型

UMA模型

物理存储器被所有处理机均匀共享。所有处理机对所有存储字具有相同的存取时间，这就是为什么称它为均匀存储器存取的原因。每台处理机可以有私用高速缓存,外围设备也以一定形式共享。

NUMA模型

NUMA模式下，处理器被划分成多个"节点"（node）， 每个节点被分配有的本地存储器空间。 所有节点中的处理器都可以访问全部的系统物理存储器，但是访问本节点内的存储器所需要的时间，比访问某些远程节点内的存储器所花的时间要少得多。

#1.2 (N)UMA模型中linux内存的机构

非一致存储器访问(NUMA)模式下

• 处理器被划分成多个"节点"(node), 每个节点被分配有的本地存储器空间. 所有节点中的处理器都可以访问全部的系统物理存储器，但是访问本节点内的存储器所需要的时间，比访问某些远程节点内的存储器所花的时间要少得多

• 内存被分割成多个区域（BANK，也叫"簇"），依据簇与处理器的"距离"不同, 访问不同簇的代码也会不同. 比如，可能把内存的一个簇指派给每个处理器，或则某个簇和设备卡很近，很适合DMA，那么就指派给该设备。因此当前的多数系统会把内存系统分割成2块区域，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

在UMA系统中, 内存就相当于一个只使用一个NUMA节点来管理整个系统的内存. 而内存管理的其他地方则认为他们就是在处理一个(伪)NUMA系统.

Linux把物理内存划分为三个层次来管理

层次	描述
存储节点(Node)	CPU被划分为多个节点(node), 内存则被分簇, 每个CPU对应一个本地物理内存, 即一个CPU-node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点
管理区(Zone)	每个物理内存节点node被划分为多个内存管理区域, 用于表示不同范围的内存, 内核可以使用不同的映射方式映射物理内存
页面(Page)	内存被细分为多个页面帧, 页面是最基本的页面分配的单位　｜

#2 内存节点node

##2.1 为什么要用node来描述内存

这点前面是说的很明白了, NUMA结构下, 每个处理器CPU与一个本地内存直接相连, 而不同处理器之前则通过总线进行进一步的连接, 因此相对于任何一个CPU访问本地内存的速度比访问远程内存的速度要快

Linux适用于各种不同的体系结构, 而不同体系结构在内存管理方面的差别很大. 因此linux内核需要用一种体系结构无关的方式来表示内存.

因此linux内核把物理内存按照CPU节点划分为不同的node, 每个node作为某个cpu结点的本地内存, 而作为其他CPU节点的远程内存, 而UMA结构下, 则任务系统中只存在一个内存node, 这样对于UMA结构来说, 内核把内存当成只有一个内存node节点的伪NUMA

##2.2 内存结点的概念

CPU被划分为多个节点(node), 内存则被分簇, 每个CPU对应一个本地物理内存, 即一个CPU-node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点

系统的物理内存被划分为几个节点(node), 一个node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点

内存被划分为结点. 每个节点关联到系统中的一个处理器, 内核中表示为pg_data_t的实例. 系统中每个节点被链接到一个以NULL结尾的pgdat_list链表中<而其中的每个节点利用pg_data_tnode_next字段链接到下一节．而对于PC这种UMA结构的机器来说, 只使用了一个成为contig_page_data的静态pg_data_t结构.

内存中的每个节点都是由pg_data_t描述,而pg_data_t由struct pglist_data定义而来, 该数据结构定义在include/linux/mmzone.h, line 615

在分配一个页面时, Linux采用节点局部分配的策略, 从最靠近运行中的CPU的节点分配内存, 由于进程往往是在同一个CPU上运行, 因此从当前节点得到的内存很可能被用到

##2.3 pg_data_t描述内存节点

表示node的数据结构为typedef struct pglist_data pg_data_t， 这个结构定义在include/linux/mmzone.h, line 615中,结构体的内容如下

/*
 * The pg_data_t structure is used in machines with CONFIG_DISCONTIGMEM
 * (mostly NUMA machines?) to denote a higher-level memory zone than the
 * zone denotes.
 *
 * On NUMA machines, each NUMA node would have a pg_data_t to describe
 * it's memory layout.
 *
 * Memory statistics and page replacement data structures are maintained on a
 * per-zone basis.
 */
struct bootmem_data;
typedef struct pglist_data {
    /*  包含了结点中各内存域的数据结构 , 可能的区域类型用zone_type表示*/
    struct zone node_zones[MAX_NR_ZONES];
    /*  指点了备用结点及其内存域的列表，以便在当前结点没有可用空间时，在备用结点分配内存   */
    struct zonelist node_zonelists[MAX_ZONELISTS];
    int nr_zones;                                    /*  保存结点中不同内存域的数目    */
#ifdef CONFIG_FLAT_NODE_MEM_MAP /* means !SPARSEMEM */
    struct page *node_mem_map;        /*  指向page实例数组的指针，用于描述结点的所有物理内存页，它包含了结点中所有内存域的页。    */
#ifdef CONFIG_PAGE_EXTENSION
    struct page_ext *node_page_ext;
#endif
#endif
#ifndef CONFIG_NO_BOOTMEM
       /*  在系统启动boot期间，内存管理子系统初始化之前，
       内核页需要使用内存（另外，还需要保留部分内存用于初始化内存管理子系统）
       为解决这个问题，内核使用了自举内存分配器 
       此结构用于这个阶段的内存管理  */
    struct bootmem_data *bdata;
#endif
#ifdef CONFIG_MEMORY_HOTPLUG
    /*
     * Must be held any time you expect node_start_pfn, node_present_pages
     * or node_spanned_pages stay constant.  Holding this will also
     * guarantee that any pfn_valid() stays that way.
     *
     * pgdat_resize_lock() and pgdat_resize_unlock() are provided to
     * manipulate node_size_lock without checking for CONFIG_MEMORY_HOTPLUG.
     *
     * Nests above zone->lock and zone->span_seqlock
     * 当系统支持内存热插拨时，用于保护本结构中的与节点大小相关的字段。
     * 哪调用node_start_pfn，node_present_pages，node_spanned_pages相关的代码时，需要使用该锁。
     */
    spinlock_t node_size_lock;
#endif
    /* /*起始页面帧号，指出该节点在全局mem_map中的偏移
    系统中所有的页帧是依次编号的，每个页帧的号码都是全局唯一的（不只是结点内唯一）  */
    unsigned long node_start_pfn;
    unsigned long node_present_pages; /* total number of physical pages 结点中页帧的数目 */
    unsigned long node_spanned_pages; /* total size of physical page range, including holes                      该结点以页帧为单位计算的长度，包含内存空洞 */
    int node_id;        /*  全局结点ID，系统中的NUMA结点都从0开始编号  */
    wait_queue_head_t kswapd_wait;        /*  交换守护进程的等待队列，
    在将页帧换出结点时会用到。后面的文章会详细讨论。    */
    wait_queue_head_t pfmemalloc_wait;
    struct task_struct *kswapd;     /* Protected by  mem_hotplug_begin/end() 指向负责该结点的交换守护进程的task_struct。   */
    int kswapd_max_order;                        /*  定义需要释放的区域的长度  */
    enum zone_type classzone_idx;

#ifdef CONFIG_COMPACTION
    int kcompactd_max_order;
    enum zone_type kcompactd_classzone_idx;
    wait_queue_head_t kcompactd_wait;
    struct task_struct *kcompactd;
#endif

#ifdef CONFIG_NUMA_BALANCING
    /* Lock serializing the migrate rate limiting window */
    spinlock_t numabalancing_migrate_lock;

    /* Rate limiting time interval */
    unsigned long numabalancing_migrate_next_window;

    /* Number of pages migrated during the rate limiting time interval */
    unsigned long numabalancing_migrate_nr_pages;
#endif

#ifdef CONFIG_DEFERRED_STRUCT_PAGE_INIT
    /*
     * If memory initialisation on large machines is deferred then this
     * is the first PFN that needs to be initialised.
     */
    unsigned long first_deferred_pfn;
#endif /* CONFIG_DEFERRED_STRUCT_PAGE_INIT */

#ifdef CONFIG_TRANSPARENT_HUGEPAGE
    spinlock_t split_queue_lock;
    struct list_head split_queue;
    unsigned long split_queue_len;
#endif
} pg_data_t;

字段	描述
node_zones	每个Node划分为不同的zone，分别为ZONE_DMA，ZONE_NORMAL，ZONE_HIGHMEM
node_zonelists	这个是备用节点及其内存域的列表，当当前节点的内存不够分配时，会选取访问代价最低的内存进行分配。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	当前节点中不同内存域zone的数量，1到3个之间。并不是所有的node都有3个zone的，比如一个CPU簇就可能没有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，指向page实例数组的指针，用于描述该节点所拥有的的物理内存页，它包含了该页面所有的内存页，被放置在全局mem_map数组中
bdata	这个仅用于引导程序boot 的内存分配，内存在启动时，也需要使用内存，在这里内存使用了自举内存分配器，这里bdata是指向内存自举分配器的数据结构的实例
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。是当前NUMA节点的第一个页帧的编号，系统中所有的页帧是依次进行编号的，这个字段代表的是当前节点的页帧的起始值，对于UMA系统，只有一个节点，所以该值总是0
node_present_pages	node中的真正可以使用的page数量
node_spanned_pages	该节点以页帧为单位的总长度，这个不等于前面的node_present_pages,因为这里面包含空洞内存
node_id	node的NODE ID 当前节点在系统中的编号，从0开始
kswapd_wait	node的等待队列，交换守护列队进程的等待列表
kswapd_max_order	需要释放的区域的长度，以页阶为单位
classzone_idx	这个字段暂时没弄明白，不过其中的zone_type是对ZONE_DMA,ZONE_DMA32,ZONE_NORMAL,ZONE_HIGH,ZONE_MOVABLE,__MAX_NR_ZONES的枚举

##2.5 结点的内存管理域

typedef struct pglist_data {
    /*  包含了结点中各内存域的数据结构 , 可能的区域类型用zone_type表示*/
    struct zone node_zones[MAX_NR_ZONES];
    /*  指点了备用结点及其内存域的列表，以便在当前结点没有可用空间时，在备用结点分配内存   */
    struct zonelist node_zonelists[MAX_ZONELISTS];
    int nr_zones;                                    /*  保存结点中不同内存域的数目    */

} pg_data_t;

node_zones[MAX_NR_ZONES]数组保存了节点中各个内存域的数据结构,

而node_zonelist则指定了备用节点以及其内存域的列表, 以便在当前结点没有可用空间时, 在备用节点分配内存.

nr_zones存储了结点中不同内存域的数目

##2.6 结点的内存页面

typedef struct pglist_data
{
    struct page *node_mem_map;        /*  指向page实例数组的指针，用于描述结点的所有物理内存页，它包含了结点中所有内存域的页。    */

    /* /*起始页面帧号，指出该节点在全局mem_map中的偏移
    系统中所有的页帧是依次编号的，每个页帧的号码都是全局唯一的（不只是结点内唯一）  */
    unsigned long node_start_pfn;
    unsigned long node_present_pages; /* total number of physical pages 结点中页帧的数目 */
    unsigned long node_spanned_pages; /* total size of physical page range, including holes                      该结点以页帧为单位计算的长度，包含内存空洞 */
    int node_id;        /*  全局结点ID，系统中的NUMA结点都从0开始编号  */
} pg_data_t;

其中node_mem_map是指向页面page实例数组的指针, 用于描述结点的所有物理内存页. 它包含了结点中所有内存域的页.

node_start_pfn是该NUMA结点的第一个页帧的逻辑编号. 系统中所有的节点的页帧是一次编号的, 每个页帧的编号是全局唯一的. node_start_pfn在UMA系统中总是0， 因为系统中只有一个内存结点， 因此其第一个页帧编号总是0.

node_present_pages指定了结点中页帧的数目, 而node_spanned_pages则给出了该结点以页帧为单位计算的长度. 二者的值不一定相同, 因为结点中可能有一些空洞, 并不对应真正的页帧.

##2.7 交换守护进程

typedef struct pglist_data
{
    wait_queue_head_t kswapd_wait;        /*  交换守护进程的等待队列，
    在将页帧换出结点时会用到。后面的文章会详细讨论。    */
    wait_queue_head_t pfmemalloc_wait;
    struct task_struct *kswapd;     /* Protected by  mem_hotplug_begin/end() 指向负责该结点的交换守护进程的task_struct。   */
};

kswapd指向了负责将该结点的交换守护进程的task_struct. 在将页帧换出结点时会唤醒该进程.

kswap_wait是交换守护进程(swap daemon)的等待队列

而kswapd_max_order用于页交换子系统的实现, 用来定义需要释放的区域的长度.

#3 结点状态

##3.1 结点状态标识node_states

内核用enum node_state变量标记了内存结点所有可能的状态信息, 其定义在include/linux/nodemask.h?v=4.7, line 381

enum node_states {
    N_POSSIBLE,         /* The node could become online at some point 
                         结点在某个时候可能变成联机*/
    N_ONLINE,           /* The node is online 
                        节点是联机的*/
    N_NORMAL_MEMORY,    /* The node has regular memory
                            结点是普通内存域 */
#ifdef CONFIG_HIGHMEM
    N_HIGH_MEMORY,      /* The node has regular or high memory 
                           结点是普通或者高端内存域*/
#else
    N_HIGH_MEMORY = N_NORMAL_MEMORY,
#endif
#ifdef CONFIG_MOVABLE_NODE
    N_MEMORY,           /* The node has memory(regular, high, movable) */
#else
    N_MEMORY = N_HIGH_MEMORY,
#endif
    N_CPU,      /* The node has one or more cpus */
    NR_NODE_STATES
};

状态	描述
N_POSSIBLE	结点在某个时候可能变成联机
N_ONLINE	节点是联机的
N_NORMAL_MEMORY	结点是普通内存域
N_HIGH_MEMORY	结点是普通或者高端内存域
N_MEMORY	结点是普通，高端内存或者MOVEABLE域
N_CPU	结点有一个或多个CPU

其中N_POSSIBLE, N_ONLINE和N_CPU用于CPU和内存的热插拔.

对内存管理有必要的标志是N_HIGH_MEMORY和N_NORMAL_MEMORY, 如果结点有普通或高端内存则使用N_HIGH_MEMORY, 仅当结点没有高端内存时才设置N_NORMAL_MEMORY

   N_NORMAL_MEMORY,    /* The node has regular memory
                            结点是普通内存域 */
#ifdef CONFIG_HIGHMEM
    N_HIGH_MEMORY,      /* The node has regular or high memory 
                           结点是高端内存域*/
#else
    /*  没有高端内存域, 仍设置N_NORMAL_MEMORY  */
    N_HIGH_MEMORY = N_NORMAL_MEMORY,
#endif

同样ZONE_MOVABLE内存域同样用类似的方法设置, 仅当系统中存在ZONE_MOVABLE内存域内存域(配置了CONFIG_MOVABLE_NODE参数)时, N_MEMORY才被设定, 否则则被设定成N_HIGH_MEMORY, 而N_HIGH_MEMORY设定与否同样依赖于参数CONFIG_HIGHMEM的设定

#ifdef CONFIG_MOVABLE_NODE
    N_MEMORY,           /* The node has memory(regular, high, movable) */
#else
    N_MEMORY = N_HIGH_MEMORY,
#endif

##3.2 结点状态设置函数

内核提供了辅助函数来设置或者清楚位域活特定结点的一个比特位

static inline int node_state(int node, enum node_states state)
static inline void node_set_state(int node, enum node_states state)
static inline void node_clear_state(int node, enum node_states state)
static inline int num_node_state(enum node_states state)

此外宏for_each_node_state(__node, __state)用来迭代处于特定状态的所有结点,

#define for_each_node_state(__node, __state) 
        for_each_node_mask((__node), node_states[__state])

而for_each_online_node(node)则负责迭代所有的活动结点.

如果内核编译只支持当个结点(即使用平坦内存模型), 则没有结点位图, 上述操作该位图的函数则变成空操作, 其定义形式如下, 参见include/linux/nodemask.h?v=4.7, line 406

参见内核

#if MAX_NUMNODES > 1
    /*   some real function  */
#else
    /*  some NULL function  */
#endif

#4 查找内存结点

node_id作为全局节点id。 系统中的NUMA结点都是从0开始编号的

##4.1 linux-2.4中的实现

pgdat_next指针域和pgdat_list内存结点链表

而对于NUMA结构的系统中, 在linux-2.4.x之前的内核中所有的节点，内存结点pg_data_t都有一个next指针域pgdat_next指向下一个内存结点. 这样一来系统中所有结点都通过单链表pgdat_list链接起来, 其末尾是一个NULL指针标记.

这些节点都放在该链表中，均由函数init_bootmem_core()初始化结点

for_each_pgdat(pgdat)来遍历node节点

那么内核提供了宏函数for_each_pgdat(pgdat)来遍历node节点, 其只需要沿着node_next以此便立即可, 参照include/linux/mmzone.h?v=2.4.37, line 187

/**
 * for_each_pgdat - helper macro to iterate over nodes
 * @pgdat - pg_data_t * variable
 * Meant to help with common loops of the form
 * pgdat = pgdat_list;
 * while(pgdat) {
 *      ...
 *      pgdat = pgdat->node_next;
 * }
 */
#define for_each_pgdat(pgdat) 
        for (pgdat = pgdat_list; pgdat; pgdat = pgdat->node_next)

##4.2 linux-3.x~4.x的实现

node_data内存节点数组

在新的linux3.x~linux4.x的内核中，内核移除了pg_data_t的pgdat_next之指针域, 同时也删除了pgdat_list链表, 参见Remove pgdat list和Remove pgdat list ver.2

但是定义了一个大小为MAX_NUMNODES类型为pg_data_t数组node_data,数组的大小根据CONFIG_NODES_SHIFT的配置决定. 对于UMA来说，NODES_SHIFT为0，所以MAX_NUMNODES的值为1.

for_each_online_pgdat遍历所有的内存结点

内核提供了for_each_online_pgdatfor_each_online_pgdat(pgdat)来遍历节点

/**
 * for_each_online_pgdat - helper macro to iterate over all online nodes
 * @pgdat - pointer to a pg_data_t variable
 */
#define for_each_online_pgdat(pgdat)                    
        for (pgdat = first_online_pgdat();              
             pgdat;                                     
             pgdat = next_online_pgdat(pgdat))

其中first_online_pgdat可以查找到系统中第一个内存节点的pg_data_t信息, next_online_pgdat则查找下一个内存节点.

下面我们来看看first_online_pgdat和next_online_pgdat是怎么实现的.

first_online_node和next_online_node返回结点编号

由于没了next指针域pgdat_next和全局node链表pgdat_list, 因而内核提供了first_online_node指向第一个内存结点, 而通过next_online_node来查找其下一个结点, 他们是通过状态node_states的位图来查找结点信息的, 定义在include/linux/nodemask.h?v4.7, line 432

//  http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/nodemask.h?v4.7#L432
#define first_online_node       first_node(node_states[N_ONLINE])
#define first_memory_node       first_node(node_states[N_MEMORY])
static inline int next_online_node(int nid)
{
    return next_node(nid, node_states[N_ONLINE]);
}

first_online_node和next_online_node返回所查找的node结点的编号, 而有了编号, 我们直接去node_data数组中按照编号进行索引即可去除对应的pg_data_t的信息.内核提供了NODE_DATA(node_id)宏函数来按照编号来查找对应的结点, 它的工作其实其实就是从node_data数组中进行索引

NODE_DATA(node_id)查找编号node_id的结点pg_data_t信息

移除了pg_data_t->pgdat_next指针域. 但是所有的node都存储在node_data数组中, 内核提供了函数NODE_DATA直接通过node编号索引节点pg_data_t信息, 参见NODE_DATA的定义

extern struct pglist_data *node_data[];
#define NODE_DATA(nid)          (node_data[(nid)])

在UMA结构的机器中, 只有一个node结点即contig_page_data, 此时NODE_DATA直接指向了全局的contig_page_data, 而与node的编号nid无关, 参照include/linux/mmzone.h?v=4.7, line 858, 其中全局唯一的内存node结点contig_page_data定义在mm/nobootmem.c?v=4.7, line 27, linux-2.4.37

#ifndef CONFIG_NEED_MULTIPLE_NODES
extern struct pglist_data contig_page_data;
#define NODE_DATA(nid)          (&contig_page_data)
#define NODE_MEM_MAP(nid)       mem_map
else
/*  ......  */
#endif

first_online_pgdat和next_online_pgdat返回结点的pg_data_t

• 首先通过first_online_node和next_online_node找到节点的编号

• 然后通过NODE_DATA(node_id)查找到对应编号的结点的pg_data_t信息

struct pglist_data *first_online_pgdat(void)
{
        return NODE_DATA(first_online_node);
}

struct pglist_data *next_online_pgdat(struct pglist_data *pgdat)
{
    int nid = next_online_node(pgdat->node_id);

    if (nid == MAX_NUMNODES)
        return NULL;
    return NODE_DATA(nid);
}

原文连接：https://github.com/gatieme/LDD-LinuxDeviceDrivers/tree/master/study/kernel/02-memory/01-description/02-node