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系列文章目录

Linux 内核设计与实现
深入理解 Linux 内核（一）
深入理解 Linux 内核（二）
Linux 设备驱动程序（一）
Linux 设备驱动程序（二）
Linux 设备驱动程序（三）
Linux设备驱动开发详解
深入理解Linux虚拟内存管理（一）
深入理解Linux虚拟内存管理（二）
深入理解Linux虚拟内存管理（三）
深入理解Linux虚拟内存管理（四）

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一、启动内存分配
- 1、初始化引导内存分配器
- - （1）start_kernel
  - （2）setup_arch
  - （3）setup_memory
  - （4）init_bootmem
  - （5）init_bootmem_core
  - （6）总结
- 2、释放内存
- - （1）register_bootmem_low_pages
  - （2）free_bootmem
  - （3）free_bootmem_core
  - （4）总结
- 3、保留大块区域的内存
- - （1）reserve_bootmem
  - （2）reserve_bootmem_core
  - （3）总结
二、页表管理
- 1、初始化页表

一、启动内存分配

1、初始化引导内存分配器

（1）start_kernel

// init/main.c
asmlinkage void __init start_kernel(void)
{// ...setup_arch(&command_line);// ...
}

（2）setup_arch

// arch/i386/kernel/setup.c
void __init setup_arch(char **cmdline_p) {// ...max_low_pfn = setup_memory();paging_init();// ...	
}

（3）setup_memory

这个函数的调用图如图 2.3 所示。它为引导内存分配器初始化自身进行所需信息的获取。它可以分成几个不同的任务。

找到低端内存的 PFN 的起点和终点(min_low_pfn，max_low_pfn)，找到高端内存的 PFN 的起点和终点（highstart_pfn，highend_pfn），以及找到系统中最后一页的 PFN。
初始化 bootmem_date 结构以及声明可能被引导内存分配器用到的页面。
标记所有系统可用的页面为空闲，然后为那些表示页面的位图保留页面。
在 SMP 配置或 initrd 镜像存在时，为它们保留页面。

static unsigned long __init setup_memory(void) {unsigned long bootmap_size, start_pfn, max_low_pfn;// 将物理地址向上取整到下一页面，返回页帧号。由于_end 是已载入内核// 镜像的底端地址，所以 start_pfn 现在是可能被用到的第一块物理页面帧的偏移。start_pfn = PFN_UP(__pa(&_end));// 遍历 e820 图，查找最高的可用 PFN。find_max_pfn();// 在 ZONE_NORMAL 中找到可寻址的最高页面帧。max_low_pfn = find_max_low_pfn();#ifdef CONFIG_HIGHMEM// 如果高端内存可用，则从高端内存区域的 0 位置开始。如果内存在 max_low_pfn 后，// 则把高端内存区的起始位置（highstart_pfn）定在那里，而其结束位置定在 max_pfn，// 然后打印可用高端内存的提示消息。highstart_pfn = highend_pfn = max_pfn;if (max_pfn > max_low_pfn) {highstart_pfn = max_low_pfn;}printk(KERN_NOTICE "%ldMB HIGHMEM available.\n",pages_to_mb(highend_pfn - highstart_pfn));
#endif// 为 config_page_data 节点初始化 bootmem_data 结构。// 它设置节点的物理内存起始点（页帧号 start_pfn）和终点（页帧号 max_low_pfn ），// 分配一张位图来表示这些页面,并将所有的页面设置为初始时保留。bootmap_size = init_bootmem(start_pfn, max_low_pfn);// 读入 e820 图，然后为运行时系统中的所有可用页面// 调用 free_bootmem() 这将标记页面在初始化时为空闲（即可分配页面）。register_bootmem_low_pages(max_low_pfn);// 保留页面，即相应的位图的位设置为 1reserve_bootmem(HIGH_MEMORY, (PFN_PHYS(start_pfn) +bootmap_size + PAGE_SIZE-1) - (HIGH_MEMORY));// 保留 0 号页面，因为 0 号页面是 BIOS 用到的一个特殊页面。			 reserve_bootmem(0, PAGE_SIZE);
#ifdef CONFIG_SMP// 保留额外的页面为跳板代码用。跳板代码处理用户空间如何进入内核空间。reserve_bootmem(PAGE_SIZE, PAGE_SIZE);
#endif
#ifdef CONFIG_ACPI_SLEEP// 如果加入了睡眠机制，就需要为它保留内存。这仅为那些有挂起功能的手提// 电脑所用到。它已经超过本书的范围。acpi_reserve_bootmem();
#endif// ...	return max_low_pfn;			 
}

（4）init_bootmem

// mm/bootmem.c
// 这是容易混淆的地方。参数 pages 实际上是该节点可寻址内存的 PFN 末端，而不是
// 按名字的意思：页面数。
unsigned long __init init_bootmem (unsigned long start, unsigned long pages) {// 如果没有依赖于体系结构的代码，则设置该节点的可寻址最大 PFN。max_low_pfn = pages;// 如果没有依赖于体系结构的代码，则设置该节点的可寻址最小 PFN。min_low_pfn = start;// 调用 init_bootmem_core()(见 E.1.3 小节)，在那里完成初始化 bootmem_data 的实// 际工作。return(init_bootmem_core(&contig_page_data, start, 0, pages));
}

（5）init_bootmem_core

static unsigned long __init init_bootmem_core (pg_data_t *pgdat,unsigned long mapstart, unsigned long start, unsigned long end)
{bootmem_data_t *bdata = pgdat->bdata;unsigned long mapsize = ((end - start)+7)/8;pgdat->node_next = pgdat_list;pgdat_list = pgdat;mapsize = (mapsize + (sizeof(long) - 1UL)) & ~(sizeof(long) - 1UL);// 内存最低内存分配给 node_bootmem_map , 大小为 mapsize 个页面（struct page）bdata->node_bootmem_map = phys_to_virt(mapstart << PAGE_SHIFT);bdata->node_boot_start = (start << PAGE_SHIFT);bdata->node_low_pfn = end;/** Initially all pages are reserved - setup_arch() has to* register free RAM areas explicitly.*/// 把所有位图初始化为 1， 即所有内存设置为保留（被占用）memset(bdata->node_bootmem_map, 0xff, mapsize);return mapsize;
}

（6）总结

一旦 setup_memory() 确定了可用物理页面的界限，系统将从两个引导内存的初始化函数中选择一个，并以待初始化的节点的起始和终止 PFN 作为调用参数。在 UMA 结构中，init_bootmem() 用于初始化 contig_page_data，而在 NUMA，init_bootmem_node() 则初始化一个具体的节点。这两个函数主要通过调用 init_bootmem_core() 来完成实际工作。

内核函数首先要把 pgdat_data_t 插入到 pgdat_list 链表中，因为这个节点在函数末尾很快就会用到。然后它记录下该节点的起始和结束地址（该节点与 bootmem_data_t 有关）并且分配一个位图来表示页面的分配情况。位图所需的大小以字节计算，计算公式如下：

$=\frac{(end\_pfn-start\_pfn)+7}{8}$

该位图存放于由 bootmem_data_t→node_boot_start 指向的物理地址处，而其虚拟地址的映射由 bootmem_data_t→node_bootmem_map 指定。由于不存在与结构无关的方式来检测内存中的空洞，整个位图就被初始化为 1 来标志所有页已被分配。将可用页面的位设置为 0 的工作则由与结构相关的代码完成。在 x86 结构中，register_bootmem_low_pages() 通过检测 e820 映射图，并在每一个可用页面上调用 free_bootmem() 函数，将其位设为 1，然后再调用 reserve_bootmem() 为保存实际位图所需的页面预留空间。

2、释放内存

在上文 setup_memory 函数中有：

static unsigned long __init setup_memory(void) {// ...	register_bootmem_low_pages(max_low_pfn);// ...	return max_low_pfn;			 
}

（1）register_bootmem_low_pages

// arch/i386/kernel/setup.c
// 读入 e820 图，然后为运行时系统中的所有可用页面
// 调用 free_bootmem() 这将标记页面在初始化时为空闲（即可分配页面）。
static void __init register_bootmem_low_pages(unsigned long max_low_pfn)
{int i;for (i = 0; i < e820.nr_map; i++) {unsigned long curr_pfn, last_pfn, size;// ...	size = last_pfn - curr_pfn;free_bootmem(PFN_PHYS(curr_pfn), PFN_PHYS(size));}
}

（2）free_bootmem

// mm/bootmem.c
void __init free_bootmem (unsigned long addr, unsigned long size)
{// 调用核心函数，以 contig_page_data 的启动内存数据为参数。return(free_bootmem_core(contig_page_data.bdata, addr, size));
}

（3）free_bootmem_core

static void __init free_bootmem_core(bootmem_data_t *bdata, unsigned long addr, unsigned long size)
{unsigned long i;unsigned long start;/** round down end of usable mem, partially free pages are* considered reserved.*/unsigned long sidx;// 计算受影响的末端索引 eidx。unsigned long eidx = (addr + size - bdata->node_boot_start)/PAGE_SIZE;// 如果末端地址不是页对齐，则它为受影响区域的末端向下取整到最近页面。unsigned long end = (addr + size)/PAGE_SIZE;// 如果释放了大小为 0 的页面，则调用 BUG()。if (!size) BUG();// 如果末端 PFN 在该节点可寻址内存之后，则这里调用 BUG()。if (end > bdata->node_low_pfn)BUG();/** Round up the beginning of the address.*/// 如果起始地址不是页对齐的，则将其向上取整到最近页面。	 start = (addr + PAGE_SIZE-1) / PAGE_SIZE;// 计算要释放的起始索引。sidx = start - (bdata->node_boot_start/PAGE_SIZE);// 释放全部满页面，这里清理在启动位图中的位。如果已经为 0，则表示是一次重// 复释放或内存从未使用，这里调用 BUG()。for (i = sidx; i < eidx; i++) {if (!test_and_clear_bit(i, bdata->node_bootmem_map))BUG();}
}

（4）总结

由上分析可知：函数 free_bootmem_core 主要就是把对应页帧号的位图（bootmem_data_t ->node_bootmem_map）设置为 0，来表示对应的页是空闲的。

3、保留大块区域的内存