Memory Management

Pages

• 物理页是内核管理内存的基本单元。
• <linux/mm_type.h> struct page 表示一个物理page

struct page {
    unsigned long flags;
    atomic_t _count;
    atomic_t _mapcount;
    unsigned long private;
    struct address_space *mapping;
    pgoff_t  index;
    struct list_head lru;
    void *virtual;
}

• flags
  <linux/page-flags.h>里定义，标示是否dirty, locked in memory等
• _count
  引用计数。一个page可能被page cache使用（mapping字段指向跟这个page关联的 address_space), 也可能被一个进程使用(page table 虚内存mapping到物理内存）。
• virtual
  这个page的虚拟地址。high memory可能为null

注意page表示物理内存, 每个物理内存页对应一个，内核需要知道这个page是空闲的还是page cache在使用等。

Zones

因为硬件的限制，内核不能等同对待所有物理页。内核把pages分成zones。特别的有这两种硬件跟内存访问相关：

• 一些硬件可以DMA(direct memory access)固定内存地址
• 一些体系可以物理寻址的内存比虚拟内存多（什么情况？)。所以一些内存没有被永久的映射到内核地址空间。

Linux有4种主要的内存zones:

• ZONE_DMA
• ZONE_DMA32
  与上类似，只被32位设备访问
• ZONE_NORMAL
  normal, regularly mapped, pages
• ZONE_HIGHMEM
  This zone contains “high memory,” which are pages not perma-
  nently mapped into the kernel’s address space.

实际内存的zones布局是跟体系相关的。比如有的体系设备可以直接访问0~16M,那这部位就做为ZONE_DMA。x86-64没有ZONE_HIGHMEM。

Getting Pages

kmalloc()

类似用户空间的malloc(), 内核分配byte-sized chunks。
在<linux/slab.h>里申明

void * kmalloc(size_t size, gfp_t flags)

分配的是物理连续的，返回起始地址。
使用实例：

struct dog *p;
p = kmalloc(sizeof(struct dog), GFP_KERNEL); 
if (!p)
   /* handle error ... */

gfp_mask Flags

有Action Modifiers, Zones Modifiers, Type Flags组成

Action Modifiers

ptr = kmalloc(size, __GFP_WAIT | __GFP_IO | __GFP_FS);

zone modifiers Type Flags

kfree()

与kmalloc()相反

vmalloc()

分配的连续的虚拟内存

Slab Layer

管理分配相同大小对象的。

Statically Allocating on the Stack

内核态的栈大小是固定的，每个进程2个page大小。每个进程都有用户态的栈跟内核态的栈。

Per-CPU Allocations

一般数据对应一个cpu个数大小的数据，每个对应一个cpu,注意这样不需要加锁，只需要访问的时候禁掉抢占。为什么需要禁掉抢占，想下如果获取这个变量准备做修改，这是后抢占跑了另外一个进程，这个进程也获取修改这个变量就有问题了（虽然都是跑的同一个cpu）， 重新调度后本身这个进程也可能跑在了另一个cpu了。禁掉抢占的开销比加锁的开销小得多。

• 避免锁
• reduce cache invalidation