Linux中內(nèi)存管理子系統(tǒng)開發(fā)必知的3個結(jié)構(gòu)概念

Linux中內(nèi)存管理子系統(tǒng)使用節(jié)點(diǎn)（node）、區(qū)域（zone）和頁（page）三級結(jié)構(gòu)描述物理內(nèi)存。

1、內(nèi)存節(jié)點(diǎn)

內(nèi)存節(jié)點(diǎn)分兩種情況：UMA和NUMA。

從管理內(nèi)存的方法上區(qū)分，計(jì)算機(jī)可以分為兩種類型：UMA和NUMA。

UMA：一致性內(nèi)存訪問，uniform memory access

NUMA：非一致性內(nèi)存訪問，non-uniform memory access

兩種類型示意圖：

對UMA來說，每一個CPU訪問的都是同一塊內(nèi)存，因此各CPU對內(nèi)存的訪問不存在性能差異。

對NUMA來說，各內(nèi)存和各CPU通過總線連在一起，每個CPU都有一個本地內(nèi)存，訪問速度快，CPU也可以訪問其他CPU的本地內(nèi)存，但速度稍慢。

Linux為了統(tǒng)一這兩種平臺，在內(nèi)存組織中，將最高層次定義為內(nèi)存節(jié)點(diǎn)。

可以看到，圖中UMA只有一個內(nèi)存節(jié)點(diǎn)，而NUMA有兩個內(nèi)存節(jié)點(diǎn)。

實(shí)際上，UMA其實(shí)是NUMA的一個特例，所以內(nèi)核可以將內(nèi)存都看做NUMA類型的。

2、區(qū)域

每個內(nèi)存節(jié)點(diǎn)都劃分為多個區(qū)，Linux內(nèi)核中定義了以下幾個區(qū)：

include/linux/mmzone.h

enum zone_type{
#ifdef CONFIG_ZONE_DMA
ZONE_DMA,
#endif
#ifdefi CONFIG_ZONE_DMA32
ZONE_DMA32,
#endif
ZONE_NORMAL,
#ifdef CONFIG_HIGHMEM
ZONE_HIGHMEM,
#endif
ZONE_MOVABLE,
#ifdef CONFIG_ZONE_DEVICE
ZONE_DEVICE,
#endif
__MAX_NR_ZONES
};

ZONE_DMA

DMA是“Direct Memory Access”的縮寫，直接內(nèi)存訪問。

該區(qū)域用于ISA設(shè)備的DMA操作，范圍是0-16MB。

如果有些設(shè)備不能直接訪問所有內(nèi)存，則需要使用DMA區(qū)域。例如舊的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)（Industry Standard Architecture, ISA）總線只能直接訪問16MB以下的內(nèi)存。

只適用于Intel x86架構(gòu)，ARM架構(gòu)沒有這個內(nèi)存管理區(qū)。

ZONE_DMA32

在64位的系統(tǒng)上使用32位地址尋址的適合DMA操作的內(nèi)存區(qū)。

例如在AMD64系統(tǒng)上，該區(qū)域?yàn)榈?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/9979/" target="_blank">4GB的空間。在32位系統(tǒng)上，本區(qū)域通常是空的。

ZONE_NORMAL

常規(guī)內(nèi)存區(qū)，指的是可以直接映射到內(nèi)核空間的內(nèi)存。

也常稱為“普通區(qū)域”“直接映射區(qū)域”“線性映射區(qū)域”。

所謂線性映射就是物理地址和映射后的虛擬地址存在一種簡單的關(guān)系，即虛擬地址=物理地址+固定偏移。

在32位系統(tǒng)上，內(nèi)核空間和用戶空間按1:3劃分，那么這個固定偏移就是：0xC0000000 - 物理內(nèi)存起始地址。

既然存在一種線性關(guān)系，那還需要使用頁表對物理地址和虛擬地址做映射嗎？

不同處理器架構(gòu)實(shí)現(xiàn)不一樣，ARM需要使用頁表映射，MIPS則不需要。

ZONE_HIGHMEM

高端內(nèi)存區(qū)，32位時代的產(chǎn)物。在32位系統(tǒng)上，指的是高于896M的物理內(nèi)存。

32位系統(tǒng)中，內(nèi)核和用戶地址空間按1:3劃分，內(nèi)核地址空間只有1GB，所以不能把1GB以上的內(nèi)存直接映射到內(nèi)核地址空間，因此就把不能直接映射的內(nèi)存劃分到了高端內(nèi)存區(qū)。

要將高于896MB的物理內(nèi)存映射在內(nèi)核空間的話，需要通過單獨(dú)的映射來完成，并且這類映射不能保證物理地址和虛擬地址之間存在固定的對應(yīng)關(guān)系（例如ZONE_NORMAL的固定偏移）。

ZONE_DMA、ZONE_DMA32、ZONE_NORMAL通常都統(tǒng)稱為低端內(nèi)存區(qū)。

64位系統(tǒng)中沒有這個區(qū)域，即沒有高端內(nèi)存。因?yàn)?4系統(tǒng)的內(nèi)核虛擬地址空間非常大，不再需要高端內(nèi)存區(qū)域。

ZONE_MOVABLE

一個偽內(nèi)存區(qū)，用來防止內(nèi)存碎片。

ZONE_DEVICE

為支持持久內(nèi)存（persistent memory）熱拔插增加的內(nèi)存區(qū)域。

3、頁

站在處理器的角度來看，管理物理內(nèi)存的最小單位是頁面。

現(xiàn)在的處理器都采用分頁機(jī)制來管理內(nèi)存，在處理器內(nèi)部有一個MMU硬件，它會處理虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的映射，也就是做頁表的翻譯工作。

Linux內(nèi)核中使用一個page數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述一個物理頁面。

頁的大小通常是4KB，但有個的架構(gòu)的處理器可以支持大于4KB的頁，例如8KB、16KB或者64KB的頁。

目前Linux內(nèi)核默認(rèn)使用4KB的頁面。

所以，Linux內(nèi)核的用三級結(jié)構(gòu)來管理物理內(nèi)存，簡言之就是內(nèi)存首先劃分成若干個大的節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)又包含若干個區(qū)，每個區(qū)有包含若干頁。Linux內(nèi)核按頁管理內(nèi)存，最基本的內(nèi)存分配和釋放都是按頁進(jìn)行的。

審核編輯：劉清