Linux 内存管理（六）之内存管理区

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前言

为了支持 NUMA 模型，也即 CPU 对不同内存单元的访问时间可能不同，此时系统的物理内存被划分为几个节点，一个节点对应一个内存簇 bank，即每个内存簇被认为是一个节点。接着各个节点又被划分为内存管理区域，接下来将对内存管理区域进行讨论。

非一致内存访问（Non-Uniform MemoryAccess，NUMA）模型，是一种内存架构模型，用于多处理器系统中的内存访问。在 NUMA 系统中，每个处理器或处理器组件（如核心）都有自己的本地内存，并且可以访问其他处理器的远程内存。

一、x86 上的内存区域划分

在一个理想的计算机体系结构中，一个页框就是一个内存存储单元，可用于任何事情：存放内核数据和用户数据、缓冲磁盘数据等等。任何种类的数据页都可以存放在任何页框中，没有什么限制。

但是，实际的计算机体系结构有硬件的制约，这限制了页框可以使用的方式。尤其是 Linux 内核必须处理 80x86 体系结构的两种硬件约束：

• ISA 总线的直接内存存取（DMA）处理器有一个严格的限制：它们只能对 RAM 的前 16MB 寻址。
• 在具有大容量 RAM 的现代 32 位计算机中，CPU 不能直接访问所有的物理内存，因为线性地址空间太小。

为了应对这两种限制，Linux 2.6 把每个内存节点的物理内在划分为 3 个管理区（zone）在 80x86 UMA 体系结构中的管理区为：

• ZONE DMA：包含低于 16 MB 的内存页框。
• ZONE NORMAL：包含高于 16MB 且低于 896MB 的内存页框。
• ZONE HIGHMEM：包含从 896MB 开始高于 896MB 的内存页框。

内存区域类型结构定义在 include/linux/mmzone.h，其基本信息如下所示：

#define ZONE_DMA		0
#define ZONE_NORMAL		1
#define ZONE_HIGHMEM 	2

不同的管理区的用途是不一样的，ZONE_DMA 类型的内存区域在物理内存的低端，主要是 ISA 设备只能用低端的地址做 DMA 操作。ZONE_NORMAL 类型的内存区域直接被内核映射到线性地址空间上面的区域，ZONE_HIGHMEM 将保留给系统使用，是系统中预留的可用内存空间，不能被内核直接映射。

二、管理区结构

1、struct zone

一个管理区（zone）由 struct zone 结构体来描述，zone 对象用于跟踪诸如页面使用情况的统计数、空闲区域信息和锁信息。里面保存着内存使用状态信息，如 page 使用统计，未使用的内存区域，互斥访问的锁等。

该结构体定义在 include/linux/mmzone.h 中，而其中各个字段的含义如下：

• free pages：管理区中空闲页的数目。
• pages_min：管理区中保留页的数目。
• pages_low：回收页框使用的下界，同时也被管理区分配器作为阈值使用。
• pages_high：回收页框使用的上界，同时也被管理区分配器作为阈值使用。
• lowmem_reserve：指明在处理内存不足的临界情况下每个管理区必须保留的页框数 0。