首页
学习
活动
专区
工具
TVP
发布
社区首页 >专栏 >Linux内存描述之内存节点node--Linux内存管理(二)

Linux内存描述之内存节点node--Linux内存管理(二)

作者头像
233333
发布2018-11-21 18:22:55
7.4K0
发布2018-11-21 18:22:55
举报

1 内存节点node

1.1 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

1.2 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

1.3 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;

table th:nth-of-type(1){ width: 20%; }

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_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

1.4 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

1.5 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.

1.6 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.

2 结点状态

2.1 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

2.2 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

3 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

3.1 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

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)

3.2 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 listRemove 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);
}
本文参与 腾讯云自媒体分享计划,分享自作者个人站点/博客。
原始发表:2018-11-21 ,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

本文分享自 作者个人站点/博客 前往查看

如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

本文参与 腾讯云自媒体分享计划  ,欢迎热爱写作的你一起参与!

评论
登录后参与评论
0 条评论
热度
最新
推荐阅读
目录
  • 1 内存节点node
    • 1.1 为什么要用node来描述内存
      • 1.2 内存结点的概念
        • 1.3 pg_data_t描述内存节点
          • 1.4 结点的内存管理域
            • 1.5 结点的内存页面
              • 1.6 交换守护进程
              • 2 结点状态
                • 2.1 结点状态标识node_states
                  • 2.2 结点状态设置函数
                  • 3 查找内存结点
                    • 3.1 linux-2.4中的实现
                      • 3.2 linux-3.x~4.x的实现
                      领券
                      问题归档专栏文章快讯文章归档关键词归档开发者手册归档开发者手册 Section 归档