free_area_init_node
在对free_area_init_node()函数分析之前，我们也要看看它的源头，这个函数的调用过程如下start_kernel()->paging_init()->free_area_init_node()，我们来看看在调用这个函数之前，在paging_init()前面的语句做了些什么。
/*
* initialise the zones within each node
*/
for (node = 0; node < numnodes; node++) {undefined
unsigned long zone_size[MAX_NR_ZONES];//存放这个内存node的全部内存页数。
unsigned long zhole_size[MAX_NR_ZONES];//存放这次内存node的孔洞内存页数。（每个成员对应该内存node的一个页区）
struct bootmem_data *bdata;
pg_data_t *pgdat;
int i;
/*
* Initialise the zone size information.
*/
for (i = 0; i < MAX_NR_ZONES; i++) {undefined
zone_size[i] = 0;
zhole_size[i] = 0;
}//对这次内存node的最多3个内存页区内存页数和孔洞内存页数清零。
pgdat = NODE_DATA(node);//获得这个node对应的disconting_node_data[n]
bdata = pgdat->bdata;
/*
* The size of this node has already been determined.
* If we need to do anything fancy with the allocation
* of this memory to the zones, now is the time to do
* it.
*/
zone_size[0] = bdata->node_low_pfn -
(bdata->node_boot_start >> PAGE_SHIFT);//获得本次内存node的全部页数
/*
* If this zone has zero size, skip it.
*/
if (!zone_size[0])
continue;
/*
* For each bank in this node, calculate the size of the
* holes. holes = node_size - sum(bank_sizes_in_node)
*/
zhole_size[0] = zone_size[0];
for (i = 0; i < mi->nr_banks; i++) {undefined
if (mi->bank[i].node != node)
continue;
zhole_size[0] -= mi->bank[i].size >> PAGE_SHIFT;
}//上面这个循环可以很容易弄明白zhole_size[0]存放着本次内存node的内存孔洞的页数。
/*
* Adjust the sizes according to any special
* requirements for this machine type.
*/
arch_adjust_zones(node, zone_size, zhole_size);//这是一个空函数。
free_area_init_node(node, pgdat, zone_size,
bdata->node_boot_start >> PAGE_SHIFT, zhole_size);
}
void __init free_area_init_node(int nid, struct pglist_data *pgdat,
unsigned long *zones_size, unsigned long node_start_pfn,
unsigned long *zholes_size)
{undefined
pgdat->node_id = nid;
pgdat->node_start_pfn = node_start_pfn;
calculate_zone_totalpages(pgdat, zones_size, zholes_size);//求出本节点所有内存页区的页数总和（包括内存孔洞的），所有内存页区的实际页数（不包括内存孔洞的）。
if (!pfn_to_page(node_start_pfn))//我们来看看它的宏定义：
//#define pfn_to_page(pfn) ((mem_map + (pfn)) - PHYS_PFN_OFFSET)，按注释来说
//这个宏是通过pfn(这是物理页号)来求得对应的struct page结构体所在的存储单元。
//mem_map表示这个节点所有页的struct page结构体的空间起始位置，PHYS_PFN_OFFSET
//是RAM空间的起始页号，通过上面的计算就可以求得对应页的struct page结构体的地址。
//如果地址为空，就说明没有为其分配空间了。
node_alloc_mem_map(pgdat);//为该内存node的所有内存页的strcut page结构体申请空间，我们是从DMA内存空间之后的空
//间开始申请的，申请空间按cache line (cache块大小=32)的方式对其的。
free_area_init_core(pgdat, zones_size, zholes_size);//这个是核心函数，等下我们会把它展开细讲的，这个函数主要就是完成
//本次内存node的内存页区的struct zoon结构体成员的设置。
}
static void __init free_area_init_core(struct pglist_data *pgdat,
unsigned long *zones_size, unsigned long *zholes_size)
{undefined
unsigned long i, j;
const unsigned long zone_required_alignment = 1UL << (MAX_ORDER-1);
int cpu, nid = pgdat->node_id;
unsigned long zone_start_pfn = pgdat->node_start_pfn;
pgdat->nr_zones = 0;//将该内存节点的内存页区数清0.
init_waitqueue_head(&pgdat->kswapd_wait);//初始化内存节点的内存置换等待队列。
for (j = 0; j < MAX_NR_ZONES; j++) {//对每个节点的每个页区进行操作。
struct zone *zone = pgdat->node_zones + j;//让zone作为本次内存节点每个页区的结构指针。
unsigned long size, realsize;
unsigned long batch;
zone_table[NODEZONE(nid, j)] = zone;//把内存node的各个页区的指针结构保留在全局指针数组zone_table[n]里。
realsize = size = zones_size[j];
if (zholes_size)
realsize -= zholes_size[j];
if (j == ZONE_DMA || j == ZONE_NORMAL)
nr_kernel_pages += realsize;//nr_kernel_pages是全局变量，保存着所有内存node的dma和normal页区的实际页数。
nr_all_pages += realsize;//nr_all_pages是全局变量，保存着每个内存node的3个页区的实际存在的页数。
zone->spanned_pages = size;//该页区内的总页数。
zone->present_pages = realsize;//该页区内的实际页数。
zone->name = zone_names[j];//该页区的明“dma, normal, highMem”
spin_lock_init(&zone->lock);
spin_lock_init(&zone->lru_lock);//页区的锁。
zone->zone_pgdat = pgdat;//页区所属内存节点的内存节点数据结构。
zone->free_pages = 0;//该页区的空闲页数。
zone->temp_priority = zone->prev_priority = DEF_PRIORITY;//页区临时和预置优先级别都是DEF_PRIORITY=12.
/*
* The per-cpu-pages pools are set to around 1000th of the
* size of the zone. But no more than 1/4 of a meg - there's
* no point in going beyond the size of L2 cache.
*
* OK, so we don't know how big the cache is. So guess.
*/
batch = zone->present_pages / 1024;
if (batch * PAGE_SIZE > 256 * 1024)
batch = (256 * 1024) / PAGE_SIZE;
batch /= 4;//要求最大不可以超过16
if (batch < 1)
batch = 1;//小于1的话就附上1.
for (cpu = 0; cpu < NR_CPUS; cpu++) {//设置本页区中每个处理器的冷区和热区内存数据结构。
struct per_cpu_pages *pcp;
pcp = &zone->pageset[cpu].pcp[0]; //每个页区都为每个处理器维护一组高速缓存内存--struct per_cpu_pageset
//pageset[]。每个pageset[]包含一个struct per_cpu_pages pcp[2]数组
//这里的pcp[0]代表热区高速缓存内存。
pcp->count = 0;//per_cpu_pages这个结构体是描述一些空闲页的，count就代表当前空闲页数。
pcp->low = 2 * batch;//这是current的下限原则。
pcp->high = 6 * batch;//这是current得上限原则。
pcp->batch = 1 * batch;
INIT_LIST_HEAD(&pcp->list);//初始化一个链表，这个是用来连接pcp高速缓存内存所指的那些内存页的struct page
pcp = &zone->pageset[cpu].pcp[1]; /* cold */
pcp->count = 0;
pcp->low = 0;
pcp->high = 2 * batch;
pcp->batch = 1 * batch;
INIT_LIST_HEAD(&pcp->list);//上面的几行是设置冷区的，不同的地方在于low,high
}
printk(KERN_DEBUG " %s zone: %lu pages, LIFO batch:%lu/n",
zone_names[j], realsize, batch);
INIT_LIST_HEAD(&zone->active_list);//该内存页区中以激活的内存页的描述结构中的lru会连接到这个链表中的。
INIT_LIST_HEAD(&zone->inactive_list);//这里和上述的意义是相反的，这里是未激活的。
zone->nr_scan_active = 0;//扫描激活内存页数。
zone->nr_scan_inactive = 0;
zone->nr_active = 0;//激活的内存页数。
zone->nr_inactive = 0;
if (!size)
continue;//如果该页区的内存页数为0时，不考虑这个页区。
/*
* The per-page waitqueue mechanism uses hashed waitqueues
* per zone.
*/
zone->wait_table_size = wait_table_size(size);//zone->wait_table_size表示等待队列的大小，其实就是等待队列的
//个数，一般PAGES_PER_WAITQUEUE（256）页为一个等待队列，
//等待队列的个数介于0~4096,同时也要求必须是2的N次幂。
zone->wait_table_bits =
wait_table_bits(zone->wait_table_size);//其实就是求出上面语句2的N次幂中的"1"所在的位号。
zone->wait_table = (wait_queue_head_t *)
alloc_bootmem_node(pgdat, zone->wait_table_size
* sizeof(wait_queue_head_t));//wait_table_size个wait_queue_head_t结构申请了空间，返回的地址放在
//wait_table。一个wait_queue_head_t可以构成一个链表。
for(i = 0; i < zone->wait_table_size; ++i)
init_waitqueue_head(zone->wait_table + i);//初始化wait_queue_head_t这个结构体的锁和链表。
pgdat->nr_zones = j+1;//统计这个内存node的页区数
zone->zone_mem_map = pfn_to_page(zone_start_pfn);//保存这个内存页区struct page结构空间的起始地址。
zone->zone_start_pfn = zone_start_pfn;//该内存页区的物理起始页号（会发现这个和本次节点的物理起始页号相同。）
if ((zone_start_pfn) & (zone_required_alignment-1))//可以看出这里要求这个物理地址要按2exp(max_order)对齐
printk("BUG: wrong zone alignment, it will crash/n");
memmap_init(size, nid, j, zone_start_pfn);//该内存页区中每页内存对应的struct page结构设置一下。具体设置如下：
//1.该内存页区在全局变量zone_table[]数组中的下标号存放到该页区所有页
//的struct page结构体中标志字flags的最高若干位。
//2.page->_count=-1;page->_mapcount=-1;设置标志字flags中
//PG_reserved=1这样是为了保护内存页不被释放掉。
zone_start_pfn += size;//计算下一个内存页区的开始页的页号。
zone_init_free_lists(pgdat, zone, zone->spanned_pages);//初始化这个内存页区对应的struct zone的成员
//free_area[MAX_ORDER]数组，主要干如下事情：
//1.初始化free_area[order].free_list链表
//2.为每个order的伙伴位码表申请空间，空间地址存放在
//free_area[order].map处。
}
}
好了，这样我就把free_area_init_node()分析完了。
————————————————
//----------------------------------------
//1.mm/Numa.c->free_area_init_node()
void __init free_area_init_node(int nid, pg_data_t *pgdat, struct page *pmap,
unsigned long *zones_size, unsigned long zone_start_paddr,
unsigned long *zholes_size)
{
free_area_init_core(0, &contig_page_data, &mem_map, zones_size,
zone_start_paddr, zholes_size, pmap);
}
//----------------------------------------
//2.mm/Page_alloc.c->free_area_init_core()
void __init free_area_init_core(int nid, pg_data_t *pgdat, struct page **gmap,
unsigned long *zones_size, unsigned long zone_start_paddr,
unsigned long *zholes_size, struct page *lmem_map)
{
unsigned long i, j;
unsigned long map_size;
unsigned long totalpages, offset, realtotalpages;
const unsigned long zone_required_alignment = 1UL (MAX_ORDER-1);
if (zone_start_paddr & ~PAGE_MASK)//zone_start_paddr一定是要页对齐的
BUG();
totalpages = 0;
//#define MAX_NR_ZONES 3
//累加所有zone大小到totalpages
for (i = 0; i MAX_NR_ZONES; i++) {
unsigned long size = zones_size;
totalpages += size;
}
realtotalpages = totalpages;
if (zholes_size)
for (i = 0; i MAX_NR_ZONES; i++)
realtotalpages -= zholes_size;//挖掉每一个zone内部的holes空间
printk("On node %d totalpages: %lu\n", nid, realtotalpages);
//每一个4k物理页都对应一个mem_map_t来管理
map_size = (totalpages + 1)*sizeof(struct page);
//多申请1个sizeof(struct page),因为可能会调整掉第一个sizeof(struct page)大小空间的前几个字节
if (lmem_map == (struct page *)0) {
lmem_map = (struct page *) alloc_bootmem_node(pgdat, map_size);
//将申请到的map_size大小的空间起始地址lmem_map进行sizeof(mem_map_t)字节对齐调整,其对齐基址为PAGE_OFFSET
lmem_map = (struct page *)(PAGE_OFFSET + MAP_ALIGN((unsigned long)lmem_map - PAGE_OFFSET));
}
*gmap = pgdat->node_mem_map = lmem_map;//存储到mem_map中,之后mem_map=lmem_map
pgdat->node_size = totalpages;
pgdat->node_start_paddr = zone_start_paddr;
pgdat->node_start_mapnr = (lmem_map - mem_map);//lmem_map和mem_map相对距离,距离多少个mem_map_t
pgdat->nr_zones = 0;
offset = lmem_map - mem_map;
for (j = 0; j MAX_NR_ZONES; j++) {
zone_t *zone = pgdat->node_zones + j;
unsigned long mask;
unsigned long size, realsize;
zone_table[nid * MAX_NR_ZONES + j] = zone;
realsize = size = zones_size[j];
if (zholes_size)
realsize -= zholes_size[j];
//打印输出内容如下:
//On node 0 totalpages: 8192
//zone(0): 8192 pages.
//zone(1): 0 pages.
//zone(2): 0 pages.
printk("zone(%lu): %lu pages.\n", j, size);
zone->size = size;
zone->name = zone_names[j];
//zone_names[0]="DMA"
//zone_names[1]="Normal"
//zone_names[2]="HighMem"
//zone只是内核为了管理方便做的一种逻辑上的划分,并不存在这种物理硬件单元[gliethttp]
zone->lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
zone->zone_pgdat = pgdat;
zone->free_pages = 0;
zone->need_balance = 0;
if (!size)
continue;
//用于进程睡眠在当前页上的waitqueue个数
zone->wait_table_size = wait_table_size(size);
zone->wait_table_shift =
BITS_PER_LONG - wait_table_bits(zone->wait_table_size);
//申请zone->wait_table_size*sizeof(wait_queue_head_t)个字节连续数据
zone->wait_table = (wait_queue_head_t *)
alloc_bootmem_node(pgdat, zone->wait_table_size
* sizeof(wait_queue_head_t));
//初始化wait_table中wait_queue_head表项
for(i = 0; i zone->wait_table_size; ++i)
init_waitqueue_head(zone->wait_table + i);
pgdat->nr_zones = j+1;//记录当前zone的下一个zone号
//static int zone_balance_ratio[MAX_NR_ZONES] __initdata = { 128, 128, 128, };
//static int zone_balance_min[MAX_NR_ZONES] __initdata = { 20 , 20, 20, };
//static int zone_balance_max[MAX_NR_ZONES] __initdata = { 255, 255, 255, };
mask = (realsize / zone_balance_ratio[j]);
if (mask zone_balance_min[j])
mask = zone_balance_min[j];
else if (mask > zone_balance_max[j])
mask = zone_balance_max[j];
//系统中空闲物理页数绝对不要少于pages_min
//该zone区内存最底限,到达该值时,分配器将同步调用kswapd,
//让其将内核中的某些页交换到外存,从而保证系统中有足够的空闲页块.
zone->pages_min = mask;
//当系统中空闲物理页数少于pages_low时,开始强化交换
zone->pages_low = mask*2;
//当空闲物理页数少于pages_high时,启动后台交换;而当空闲物理页数大于pages_high时,内核交换守护进程什么也不做
zone->pages_high = mask*3;//该zone区内存临界值
//管理每个4k页的数据结构mem_map_t的起始地址zone->zone_mem_map
zone->zone_mem_map = mem_map + offset;
zone->zone_start_mapnr = offset;//lmem_map和mem_map相对距离,距离多少个mem_map_t
zone->zone_start_paddr = zone_start_paddr;//该zone的起始地址
//该zone_start_paddr应该是2^9,即:512页对齐,即:512*4k=2M字节对齐
if ((zone_start_paddr >> PAGE_SHIFT) & (zone_required_alignment-1))
printk("BUG: wrong zone alignment, it will crash\n");
for (i = 0; i size; i++) {
struct page *page = mem_map + offset + i;
//对每一个4k页对应的mem_map_t管理结构进行如下相同的初始化
set_page_zone(page, nid * MAX_NR_ZONES + j);//设置flag的zone标志区
set_page_count(page, 0);//设置使用本页的用户数目为0
SetPageReserved(page);//设置本页flag为PG_reserved,由系统保留使用
INIT_LIST_HEAD(&page->list);//初始化list的头和屁股使其都指向自己
if (j != ZONE_HIGHMEM)
set_page_address(page, __va(zone_start_paddr));//对于我的armlinux版本,此为空
zone_start_paddr += PAGE_SIZE;//因为上一句没有,所以此举也无用
}
offset += size;
for (i = 0; ; i++) {
//linux的物理页分配采用链表和位图结合的方法.linux内核定义了一个称为free_area的数组,
//该数组的每一项描述某一种页块的信息
//zone->free_area[0]--2^0=1页空闲链表
//zone->free_area[1]--2^1=2页空闲链表
//zone->free_area[2]--2^2=4页空闲链表
//...
//zone->free_area[9]--2^9=512页空闲链表
//数组free_area的每项包含三个元素:next、prev和map.指针next、prev用于将物理页块结构mem_map_t连结成一个双向链表;
//而map则是记录这种页块组分配情况的位图,例如,位图的第N位为1,表明第N个页块是空闲的.从图中也可以看到,
//用来记录页块组分配情况的位图大小各不相同,显然页块越小,位图越大.free_area数组的大小为10或12(可调),
//因此它管理的最小内存块的大小是1页(4K),最大内存块的大小是512页(2M)或2048页(8M).
//页分配代码使用向量表free_area来分配和回收物理页
unsigned long bitmap_size;
INIT_LIST_HEAD(&zone->free_area.free_list);//初始化free_area的链表
if (i == MAX_ORDER-1) {
zone->free_area.map = NULL;
//我的armlinux,MAX_ORDER=10,所以一共2^9=512个页,所以kmalloc最多申请512个连续页=512*4k=2M
break;
}
//对于Buddy(伙伴)算法,采用模型:index >> (i+1);[i为order值,index一般是"size-1"]
//所以Buddy管理的内存总大小为size-1,记得在念高中的时候有这样一道数学题
//s=1/2+1/4+1/8+...1/2^n的值是多少,怎么计算呢?先将等式两端分别乘上2,即:
//2s=1+1/2+1/4+...1/2^(n+1)=逼近1+s,所以s=逼近1,但永远都达不到1.
//所以从这个角度我们可以看到Buddy的算法中,不论MAX_ORDER有多大10,10000...,甚至无穷,也不会把size-1切割到0
//size-1数据穷尽,当然这还要考虑小于1字节时已经不存在意义的问题,
//但是MAX_ORDER已经有很强的伸缩性了[gliethttp 2007-08-05]
//free_area[0].map位图大小=((size-1)/ 2)/8=(size-1) >> (0+1+3)
//free_area[1].map位图大小=((size-1)/ 4)/8=(size-1) >> (1+1+3)
//...
//free_area[9].map位图大小=((size-1)/1024)/8=(size-1) >> (9+1+3)
bitmap_size = (size-1) >> (i+4);
//因为所有bitmap的操作都是long类型4字节操作,所以需要将bitmap_size调整成>=先前bitmap_size的4倍数
//可以假想bitmap_size&0x03=1,出现零头,怎么办,显然我们不能不管,所以
//#define LONG_ALIGN(x) (((x)+(sizeof(long))-1)&~((sizeof(long))-1))
//(1+3)&~3这样对齐到了上边界,
//但是为什么要传递bitmap_size+1进行调整呢,这是为了,当bitmap_size&0x03=0时,它还要进行
//(0+1+3)&~3,这样就到了下一个对齐单元,但明明已经对齐了,为什么还要加,我想这可能和统一的风格和舒适度有关系吧!
//所以调整后的bitmap_size肯定大于先前为调整的bitmap_size,1~4字节之间
bitmap_size = LONG_ALIGN(bitmap_size+1);
zone->free_area.map = //返回32字节对齐后的bitmap_size大小虚拟地址空间首地址
//请参考《浅析armlinux-setup_arch()->alloc_bootmem_low_pages()函数5-1》[http://gliethttp.cublog.cn]
(unsigned long *) alloc_bootmem_node(pgdat, bitmap_size);
}
}
build_zonelists(pgdat);//将zone登记到zonelist中
}
//----------------------------------------
//3.
#define PAGES_PER_WAITQUEUE 256
static inline unsigned long wait_table_size(unsigned long pages)
{unsigned long size = 1;
pages /= PAGES_PER_WAITQUEUE;//8192/256=32
while (size pages)
size = 1;//计算上边界
size = min(size, 4096UL);//权衡一个用来进程睡眠wait queue的合理大小
return size;
}
//----------------------------------------
//4.
static inline unsigned long wait_table_bits(unsigned long size)
{
//fft[find first zero in word]从低位开始找到第一个0的位置
//所以这里是查找size中第一个出现1的位置
return ffz(~size);
}
//----------------------------------------
//5.
static inline void set_page_zone(struct page *page, unsigned long zone_num)
{
page->flags &= ~(~0UL ZONE_SHIFT);//清0高8位
page->flags |= zone_num ZONE_SHIFT;//将zone_num送到高8位
}
//----------------------------------------
//6.include/linux/Mm.h->SetPageReserved()
#define SetPageReserved(page) set_bit(PG_reserved, &(page)->flags)
//arch/arm/lib/setbit.S->set_bit()
ENTRY(set_bit)
and r2, r0, #7//r0在字节内的移位量0~7
mov r3, #1
mov r3, r3, lsl r2//将计算偏移后结果存入r3
save_and_disable_irqs ip, r2//禁用中断,同时ip=cpsr
ldrb r2, [r1, r0, lsr #3]//读取第r0位对应字节处的字节数据,即:r1+r0/8
orr r2, r2, r3//相应位置1
strb r2, [r1, r0, lsr #3]//回写
restore_irqs ip
RETINSTR(mov,pc,lr)
//----------------------------------------
//7.mm/Page_alloc.c->build_zonelists()
static inline void build_zonelists(pg_data_t *pgdat)
{int i, j, k;
//#define GFP_ZONEMASK 0x0f
for (i = 0; i = GFP_ZONEMASK; i++) {
zonelist_t *zonelist;
zone_t *zone;
zonelist = pgdat->node_zonelists + i;
//对memset的理解可参见《浅析armlinux-__arch_clear_user内存拷贝函数之3》[http://gliethttp.cublog.cn]
memset(zonelist, 0, sizeof(*zonelist));
j = 0;
//#define ZONE_DMA 0
//#define ZONE_NORMAL 1
//#define ZONE_HIGHMEM 2
//所以GFP_ZONEMASK的所有i值,都被0x3掩掉
k = ZONE_NORMAL;
if (i & __GFP_HIGHMEM)
k = ZONE_HIGHMEM;
if (i & __GFP_DMA)
k = ZONE_DMA;
switch (k) {//我的armlinux版本只提供3种zone
default:
BUG();
case ZONE_HIGHMEM:
zone = pgdat->node_zones + ZONE_HIGHMEM;
if (zone->size) {
#ifndef CONFIG_HIGHMEM
BUG();
#endif
zonelist->zones[j++] = zone;//将ZONE_HIGHMEM对应的node填入表中
}
case ZONE_NORMAL:
zone = pgdat->node_zones + ZONE_NORMAL;
if (zone->size)
zonelist->zones[j++] = zone;//将ZONE_NORMAL对应的node填入表中
case ZONE_DMA:
zone = pgdat->node_zones + ZONE_DMA;
if (zone->size)
zonelist->zones[j++] = zone;//将ZONE_DMA对应的node填入表中
}
zonelist->zones[j++] = NULL;//给node链表追加结尾
}
}
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