Buddy 内存管理机制（上）

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Buddy 简介

内存是计算机系统中最重要的核心资源之一，Buddy 系统是 Linux 最底层的内存管理机制，它使用 Page 粒度来管理内存。通常情况下一个 Page 的大小为 4K，在 Buddy 系统中分配、释放、回收的最小单位都是 Page。

上图是 Buddy 系统的内部组织结构，本篇文章只关心未分配区域Free区域的管理，下篇文章再来分析可回收区域的管理。

一个系统的内存总大小动辄几G几十G，不同的内存区域也有不同的特性。Buddy 使用层次化的结构把这些特性给组织起来：

Buddy 初始化

Struct Page 初始化

以 Page 大小的粒度来管理内存，一个 Page 对应的物理内存称为页框 (Page Frame)。另外为了应对复杂的管理，系统给每个 Page 还分配了一个管理结构 struct page，系统在初始化时会预留这部分的物理内存并且映射到 vmemmap 区域 (参考：内核地址空间布局)，内核根据物理页帧的编号 pfn 就能在 vmemmap 区域中找到对应的 struct page 结构。

struct page 结构存储了很多信息 (参考：Page 页帧管理详解)。在 sparse_init() 时已经把所有的struct page 结构清零，zone_sizes_init() 初始化时主要初始化两部分信息：

将 page->flags 中保存的 setcion、node、zone 设置成对应的 index，这样后续操作 struct page 结构时就能快速的找到对应的 setcion、node、zone 而不需要重新根据 pfn 来进行计算。page->flags 中的 flag 部分初始化为 0。

另外给 page->_refcount、_mapcount、_last_cpupid、lru 等成员都进行了初始化。

start_kernel() → setup_arch() → x86_init.paging.pagetable_init() → native_pagetable_init() → paging_init() → zone_sizes_init() → free_area_init_nodes() → free_area_init_node() → free_area_init_core():

|→ memmap_init() → memmap_init_zone()

void __meminit memmap_init_zone(unsigned long size, int nid, unsigned long zone,
  unsigned long start_pfn, enum memmap_context context)
{

 for (pfn = start_pfn; pfn < end_pfn; pfn++) {

        /* (2) 当前是一个pageblock的第一个page */
  if (!(pfn & (pageblock_nr_pages - 1))) {
   struct page *page = pfn_to_page(pfn);

            /* (2.1) 初始化对应的 struct page 结构 */
   __init_single_page(page, pfn, zone, nid,
     context != MEMMAP_HOTPLUG);
            /* (2.2) 初始化时把所有pageblock的migratetype设置成MIGRATE_MOVABLE */
   set_pageblock_migratetype(page, MIGRATE_MOVABLE);
   cond_resched();
        /* (3) pageblock中的其他page */
  } else {
            /* (3.1) 初始化对应的 struct page 结构 */
   __init_single_pfn(pfn, zone, nid,
     context != MEMMAP_HOTPLUG);
  }
 }
}

↓
__init_single_pfn()
↓

static void __meminit __init_single_page(struct page *page, unsigned long pfn,
    unsigned long zone, int nid, bool zero)
{
    /* (2.1.1) 如果需要，对struct page结构清零 */
 if (zero)
  mm_zero_struct_page(page);
    /* (2.1.2) 设置page->flags中的setcion index、node index、zone index */
 set_page_links(page, zone, nid, pfn);
    /* (2.1.3) 设置page->_refcount = 1 */
 init_page_count(page);
    /* (2.1.4) 设置page->_mapcount = -1 */
 page_mapcount_reset(page);
    /* (2.1.5) 设置page->_last_cpupid = -1 */
 page_cpupid_reset_last(page);

    /* (2.1.6) 初始化page->lru */
 INIT_LIST_HEAD(&page->lru);
#ifdef WANT_PAGE_VIRTUAL
 /* The shift won't overflow because ZONE_NORMAL is below 4G. */
 if (!is_highmem_idx(zone))
  set_page_address(page, __va(pfn << PAGE_SHIFT));
#endif
}

系统以 zone 为单位分配空间来保存所有 pageblock 的 migrate type：

start_kernel() → setup_arch() → x86_init.paging.pagetable_init() → native_pagetable_init() → paging_init() → zone_sizes_init() → free_area_init_nodes() → free_area_init_node() → free_area_init_core():

|→ setup_usemap()

static void __init setup_usemap(struct pglist_data *pgdat,
    struct zone *zone,
    unsigned long zone_start_pfn,
    unsigned long zonesize)
{
 unsigned long usemapsize = usemap_size(zone_start_pfn, zonesize);
 zone->pageblock_flags = NULL;
 if (usemapsize)
        /* (1) 分配存储当前zone里所有pageblock的migrate标志 */
  zone->pageblock_flags =
   memblock_virt_alloc_node_nopanic(usemapsize,
        pgdat->node_id);
}

pageblock 的初始 migrate type 为 MIGRATE_MOVABLE：

void __meminit memmap_init_zone(unsigned long size, int nid, unsigned long zone,
  unsigned long start_pfn, enum memmap_context context)
{

 for (pfn = start_pfn; pfn < end_pfn; pfn++) {

        /* (2) 当前是一个pageblock的第一个page */
  if (!(pfn & (pageblock_nr_pages - 1))) {
   struct page *page = pfn_to_page(pfn);

            /* (2.1) 初始化对应的 struct page 结构 */
   __init_single_page(page, pfn, zone, nid,
     context != MEMMAP_HOTPLUG);
            /* (2.2) 初始化时把所有pageblock的migratetype设置成MIGRATE_MOVABLE */
   set_pageblock_migratetype(page, MIGRATE_MOVABLE);
   cond_resched();
        /* (3) pageblock中的其他page */
  } else {
            /* (3.1) 初始化对应的 struct page 结构 */
   __init_single_pfn(pfn, zone, nid,
     context != MEMMAP_HOTPLUG);
  }
 }
}

pageblock 中第一个分配的内存的 migrate type 决定了整个 pageblock 的 migrate type。

Buddy 初始化

在内核启动过程中在 Buddy 初始化以前，系统使用一个简便的 Memblock 机制来管理内存。在 Buddy 数据结构准备好后，需要把 Memblock 中的内存释放到 Buddy 当中。

这就是 Buddy 系统初始的状态，除了保留的内存，其他的内存都处于 Free 状态：

start_kernel() → mm_init() → mem_init() → free_all_bootmem():

unsigned long __init free_all_bootmem(void)
{
 unsigned long pages;

    /* (1) 将每个node每个zone管理的page清零：z->managed_pages = 0 */
 reset_all_zones_managed_pages();

    /* (2) 将memblock中的内存转移到buddy系统中 */
 pages = free_low_memory_core_early();
 totalram_pages += pages;

 return pages;
}

↓

static unsigned long __init free_low_memory_core_early(void)
{
 unsigned long count = 0;
 phys_addr_t start, end;
 u64 i;

 memblock_clear_hotplug(0, -1);

    /* (2.1) 遍历memblock中的保留内存，将其对应的`struct page`结构page->flags设置PG_reserved标志 */
 for_each_reserved_mem_region(i, &start, &end)
  reserve_bootmem_region(start, end);

 /*
  * We need to use NUMA_NO_NODE instead of NODE_DATA(0)->node_id
  *  because in some case like Node0 doesn't have RAM installed
  *  low ram will be on Node1
  */
    /* (2.2) 遍历memblock中尚未分配的内存，将其释放到buddy系统中 */
 for_each_free_mem_range(i, NUMA_NO_NODE, MEMBLOCK_NONE, &start, &end,
    NULL)
  count += __free_memory_core(start, end);

 return count;
}

↓
__free_memory_core()
↓

static void __init __free_pages_memory(unsigned long start, unsigned long end)
{
 int order;

    /* (2.2.1) 对需要释放的区域，拆分成尽可能大的 2^order 内存块去释放 */
 while (start < end) {
  order = min(MAX_ORDER - 1UL, __ffs(start));

        /* (2.2.1.1) 计算最大的释放长度(2^order)page */
  while (start + (1UL << order) > end)
   order--;

        /* (2.2.1.2) 继续释放 */
  __free_pages_bootmem(pfn_to_page(start), start, order);

  start += (1UL << order);
 }
}

↓

__free_pages_bootmem() → __free_pages_boot_core() → __free_pages()

具体的释放细节 __free_pages() 在下一节中解析。

end

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