Linux内存管理学习笔记--物理内存分配

每次深入了解一个技术问题，随着挖据的深入，都发现其背后总非常深的背景知识，甚至需要深入到很多底层系统，这个过程有时会让自己迷失，会让自己忘了当初的目的。

在中介绍系统启动时内存的使用情况，本篇将介绍简要Linux如何接管主机的物理内存、组织内存，最后会较为详细的介绍Linux分配内存的一段代码。

前面说了，Linux
MM系统细节非常多，自己在探究的时候，也是尝试尽量抓住主线，这里也只能抽取了一些“主线剧情”介绍，其中还可以扩展出很多细节，看客感兴趣可以自己深
究，后续如果兴趣还在，我也还会继续写出来。内核版本如果没有特别说明，就是使用2.6.33版本。

1. 物理内存组织

先声明一下，这里说的Linux都是运行Intel
X86架构的。从80386开始，为了更好支持内存管理、虚拟内存技术，x86架构开始支持处理器的分页模式（分页是基于分段）。系统将内存分为一个个固
定大小的块，称作“page frames”，x86架构每一个“page frames”大小为4096字节。Linux中使用结构来描述一个“page frames”【链接中给出了2.6.18内核下的Page结构】，一个Page结构对应了一个物理内存页。

在Linux中，所有的struct page对象都放在一个数组mem_map，mem_map每一个元素对应一个Page。

2. NUMA下的内存结构

在NUMA架构下，系统根据CPU的物理颗数，将内存分成对应的Node。例如，两颗物理CPU，16GB内存的硬件：系统则将内存分成两个8GB，分别分配给两颗CPU：

my111.cm3:/root>#numactl --hardware

available: 2 nodes (0-1)

node 0 size: 8065 MB

node 1 size: 8080 MB

每一个Node，系统又将其分为多个Zone，64位x86架构下（参考:8.1.5），分为两个ZONE_DMA（低16MB，）、ZONE_NORMAL（其余内存）。所以NUMA架构下的内存分配，也就是在各个zone分配内存。

3. 内存分配函数栈

从底层系统的角度，内存分配有如下函数（这里介绍的底层函数，和上层函数的关系，以后再介绍）：

这里来调查一下函数alloc_pages都做了些什么，都调用了哪些函数：

free_area是一个底层保存空闲内存页的数组，有着特殊的结构，它也是内存分配的核心变量。

4. get_page_from_freelist和zone_reclaim_mode

上面函数get_page_from_freelist【mm/page_alloc.c】通过遍历系统中各个zone，来寻找可用内存，根据
Linux系统中zone_reclaim_mode的设置不同，遍历时的行为略有不同。zone_reclaim_mode是Linux中的一个可配置
参数，为了解该参数如何影响内存分配，那就打开get_page_from_freelist的代码，仔细看看遍历各个zone的流程：

上面看到，zone_reclaim_mode非零时，如果某个zone内存不够，则会尝试出发一次内存回收工作（zone_reclaim），等于零时，则直接尝试写一个zone。

上面是2.6.33内核的代码流程图，2.6.18（RHEL5.4的内核）中则因为没有zcl相对简单一些：

流程图中可以看到，zone_reclaim_mode非零时，get_page_from_freelist【mm/page_alloc.c】
函数中会调用zone_watermark_ok扫描free_area，如果当面有没有足够的可用内存，就会调用zone_reclaim
【mm/vmscan.c】函数回收内存，zone_reclaim实际调用zone_reclaim【mm/vmscan.】收回内存。

最后

每次深入了解一个技术问题，随着挖据的深入，都发现其背后总非常深的背景知识，甚至需要深入到很多底层系统，这个过程有时会让自己迷失，会让自己忘
了当初的目的。如果是Linux方面的技术问题，一般最后会收缩到“体系结构”、“Linux原理”和“算法”，这恰恰对应了计算机系考研时候的三门课
程：体系结构、操作系统、和数据结构