Linux記憶體描述之記憶體節點node--Linux記憶體管理(二)

来源:https://www.cnblogs.com/linhaostudy/archive/2018/11/21/9992639.html
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1 記憶體節點node 1.1 為什麼要用node來描述記憶體 這點前面是說的很明白了, NUMA結構下, 每個處理器CPU與一個本地記憶體直接相連, 而不同處理器之前則通過匯流排進行進一步的連接, 因此相對於任何一個CPU訪問本地記憶體的速度比訪問遠程記憶體的速度要快 Linux適用於各種不同的體繫結構, 而 ...


1 記憶體節點node

1.1 為什麼要用node來描述記憶體

這點前面是說的很明白了, NUMA結構下, 每個處理器CPU與一個本地記憶體直接相連, 而不同處理器之前則通過匯流排進行進一步的連接, 因此相對於任何一個CPU訪問本地記憶體的速度比訪問遠程記憶體的速度要快

Linux適用於各種不同的體繫結構, 而不同體繫結構在記憶體管理方面的差別很大. 因此linux內核需要用一種體繫結構無關的方式來表示記憶體.

因此linux內核把物理記憶體按照CPU節點劃分為不同的node, 每個node作為某個cpu結點的本地記憶體, 而作為其他CPU節點的遠程記憶體, 而UMA結構下, 則任務系統中只存在一個記憶體node, 這樣對於UMA結構來說, 內核把記憶體當成只有一個記憶體node節點的偽NUMA

1.2 記憶體結點的概念

CPU被劃分為多個節點(node), 記憶體則被分簇, 每個CPU對應一個本地物理記憶體, 即一個CPU-node對應一個記憶體簇bank，即每個記憶體簇被認為是一個節點

系統的物理記憶體被劃分為幾個節點(node), 一個node對應一個記憶體簇bank，即每個記憶體簇被認為是一個節點

記憶體被劃分為結點. 每個節點關聯到系統中的一個處理器, 內核中表示為pg_data_t的實例. 系統中每個節點被鏈接到一個以NULL結尾的pgdat_list鏈表中<而其中的每個節點利用pg_data_tnode_next欄位鏈接到下一節．而對於PC這種UMA結構的機器來說, 只使用了一個成為contig_page_data的靜態pg_data_t結構.

記憶體中的每個節點都是由pg_data_t描述,而pg_data_t由struct pglist_data定義而來, 該數據結構定義在include/linux/mmzone.h, line 615

在分配一個頁面時, Linux採用節點局部分配的策略, 從最靠近運行中的CPU的節點分配記憶體, 由於進程往往是在同一個CPU上運行, 因此從當前節點得到的記憶體很可能被用到

1.3 pg_data_t描述記憶體節點

表示node的數據結構為typedef struct pglist_data pg_data_t， 這個結構定義在include/linux/mmzone.h, line 615中,結構體的內容如下:

/*
 * 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 {
    /*  包含了結點中各記憶體域的數據結構 , 可能的區域類型用zone_type表示*/
    struct zone node_zones[MAX_NR_ZONES];
    /*  指點了備用結點及其記憶體域的列表，以便在當前結點沒有可用空間時，在備用結點分配記憶體   */
    struct zonelist node_zonelists[MAX_ZONELISTS];
    int nr_zones;                                   /*  保存結點中不同記憶體域的數目    */
#ifdef CONFIG_FLAT_NODE_MEM_MAP /* means !SPARSEMEM */
    struct page *node_mem_map;      /*  指向page實例數組的指針，用於描述結點的所有物理記憶體頁，它包含了結點中所有記憶體域的頁。    */
#ifdef CONFIG_PAGE_EXTENSION
    struct page_ext *node_page_ext;
#endif
#endif
#ifndef CONFIG_NO_BOOTMEM
       /*  在系統啟動boot期間，記憶體管理子系統初始化之前，
       內核頁需要使用記憶體（另外，還需要保留部分記憶體用於初始化記憶體管理子系統）
       為解決這個問題，內核使用了自舉記憶體分配器 
       此結構用於這個階段的記憶體管理  */
    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
     * 當系統支持記憶體熱插撥時，用於保護本結構中的與節點大小相關的欄位。
     * 哪調用node_start_pfn，node_present_pages，node_spanned_pages相關的代碼時，需要使用該鎖。
     */
    spinlock_t node_size_lock;
#endif
    /* /*起始頁面幀號，指出該節點在全局mem_map中的偏移
    系統中所有的頁幀是依次編號的，每個頁幀的號碼都是全局唯一的（不只是結點內唯一）  */
    unsigned long node_start_pfn;
    unsigned long node_present_pages; /* total number of physical pages 結點中頁幀的數目 */
    unsigned long node_spanned_pages; /* total size of physical page range, including holes                     該結點以頁幀為單位計算的長度，包含記憶體空洞 */
    int node_id;        /*  全局結點ID，系統中的NUMA結點都從0開始編號  */
    wait_queue_head_t kswapd_wait;      /*  交換守護進程的等待隊列，
    在將頁幀換出結點時會用到。後面的文章會詳細討論。    */
    wait_queue_head_t pfmemalloc_wait;
    struct task_struct *kswapd;     /* Protected by  mem_hotplug_begin/end() 指向負責該結點的交換守護進程的task_struct。   */
    int kswapd_max_order;                       /*  定義需要釋放的區域的長度  */
    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;
欄位 描述
node_zones 每個Node劃分為不同的zone，分別為ZONE_DMA，ZONE_NORMAL，ZONE_HIGHMEM
node_zonelists 這個是備用節點及其記憶體域的列表，噹噹前節點的記憶體不夠分配時，會選取訪問代價最低的記憶體進行分配。分配記憶體操作時的區域順序，當調用free_area_init_core()時，由mm/page_alloc.c文件中的build_zonelists()函數設置
nr_zones 當前節點中不同記憶體域zone的數量，1到3個之間。並不是所有的node都有3個zone的，比如一個CPU簇就可能沒有ZONE_DMA區域
node_mem_map node中的第一個page，它可以指向mem_map中的任何一個page，指向page實例數組的指針，用於描述該節點所擁有的的物理記憶體頁，它包含了該頁面所有的記憶體頁，被放置在全局mem_map數組中
bdata 這個僅用於引導程式boot 的記憶體分配，記憶體在啟動時，也需要使用記憶體，在這裡記憶體使用了自舉記憶體分配器，這裡bdata是指向記憶體自舉分配器的數據結構的實例
node_start_pfn pfn是page frame number的縮寫。這個成員是用於表示node中的開始那個page在物理記憶體中的位置的。是當前NUMA節點的第一個頁幀的編號，系統中所有的頁幀是依次進行編號的，這個欄位代表的是當前節點的頁幀的起始值，對於UMA系統，只有一個節點，所以該值總是0
node_present_pages node中的真正可以使用的page數量
node_present_pages node中的真正可以使用的page數量
node_spanned_pages 該節點以頁幀為單位的總長度，這個不等於前面的node_present_pages,因為這裡麵包含空洞記憶體
node_id node的NODE ID 當前節點在系統中的編號，從0開始
kswapd_wait node的等待隊列，交換守護列隊進程的等待列表
kswapd_max_order 需要釋放的區域的長度，以頁階為單位
classzone_idx 這個欄位暫時沒弄明白，不過其中的zone_type是對ZONE_DMA,ZONE_DMA32,ZONE_NORMAL,ZONE_HIGH,ZONE_MOVABLE,__MAX_NR_ZONES的枚舉

1.4 結點的記憶體管理域

typedef struct pglist_data {
    /*  包含了結點中各記憶體域的數據結構 , 可能的區域類型用zone_type表示*/
    struct zone node_zones[MAX_NR_ZONES];
    /*  指點了備用結點及其記憶體域的列表，以便在當前結點沒有可用空間時，在備用結點分配記憶體   */
    struct zonelist node_zonelists[MAX_ZONELISTS];
    int nr_zones;                                   /*  保存結點中不同記憶體域的數目    */

} pg_data_t;

  • node_zones[MAX_NR_ZONES]數組保存了節點中各個記憶體域的數據結構,

  • 而node_zonelist則指定了備用節點以及其記憶體域的列表, 以便在當前結點沒有可用空間時, 在備用節點分配記憶體.

  • nr_zones存儲了結點中不同記憶體域的數目

1.5 結點的記憶體頁面

typedef struct pglist_data
{
    struct page *node_mem_map;      /*  指向page實例數組的指針，用於描述結點的所有物理記憶體頁，它包含了結點中所有記憶體域的頁。    */

    /* /*起始頁面幀號，指出該節點在全局mem_map中的偏移
    系統中所有的頁幀是依次編號的，每個頁幀的號碼都是全局唯一的（不只是結點內唯一）  */
    unsigned long node_start_pfn;
    unsigned long node_present_pages; /* total number of physical pages 結點中頁幀的數目 */
    unsigned long node_spanned_pages; /* total size of physical page range, including holes                     該結點以頁幀為單位計算的長度，包含記憶體空洞 */
    int node_id;        /*  全局結點ID，系統中的NUMA結點都從0開始編號  */
} pg_data_t;

  • 其中node_mem_map是指向頁面page實例數組的指針, 用於描述結點的所有物理記憶體頁. 它包含了結點中所有記憶體域的頁.

  • node_start_pfn是該NUMA結點的第一個頁幀的邏輯編號. 系統中所有的節點的頁幀是一次編號的, 每個頁幀的編號是全局唯一的. node_start_pfn在UMA系統中總是0， 因為系統中只有一個記憶體結點， 因此其第一個頁幀編號總是0.

  • node_present_pages指定了結點中頁幀的數目, 而node_spanned_pages則給出了該結點以頁幀為單位計算的長度. 二者的值不一定相同, 因為結點中可能有一些空洞, 並不對應真正的頁幀.

1.6 交換守護進程

typedef struct pglist_data
{
    wait_queue_head_t kswapd_wait;      /*  交換守護進程的等待隊列，
    在將頁幀換出結點時會用到。後面的文章會詳細討論。    */
    wait_queue_head_t pfmemalloc_wait;
    struct task_struct *kswapd;     /* Protected by  mem_hotplug_begin/end() 指向負責該結點的交換守護進程的task_struct。   */
};

  • kswapd指向了負責將該結點的交換守護進程的task_struct. 在將頁幀換出結點時會喚醒該進程.

  • kswap_wait是交換守護進程(swap daemon)的等待隊列

  • 而kswapd_max_order用於頁交換子系統的實現, 用來定義需要釋放的區域的長度.

2 結點狀態

2.1 結點狀態標識node_states

內核用enum node_state變數標記了記憶體結點所有可能的狀態信息, 其定義在include/linux/nodemask.h?v=4.7, line 381

enum node_states {
    N_POSSIBLE,         /* The node could become online at some point 
                         結點在某個時候可能變成聯機*/
    N_ONLINE,           /* The node is online 
                        節點是聯機的*/
    N_NORMAL_MEMORY,    /* The node has regular memory
                            結點是普通記憶體域 */
#ifdef CONFIG_HIGHMEM
    N_HIGH_MEMORY,      /* The node has regular or high memory 
                           結點是普通或者高端記憶體域*/
#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
};
狀態 描述
N_POSSIBLE 結點在某個時候可能變成聯機
N_ONLINE 節點是聯機的
N_NORMAL_MEMORY 結點是普通記憶體域
N_HIGH_MEMORY 結點是普通或者高端記憶體域
N_MEMORY 結點是普通，高端記憶體或者MOVEABLE域
N_CPU 結點有一個或多個CPU

其中N_POSSIBLE, N_ONLINE和N_CPU用於CPU和記憶體的熱插拔.

對記憶體管理有必要的標誌是N_HIGH_MEMORY和N_NORMAL_MEMORY, 如果結點有普通或高端記憶體則使用N_HIGH_MEMORY, 僅當結點沒有高端記憶體時才設置N_NORMAL_MEMORY

N_NORMAL_MEMORY,    /* The node has regular memory
                            結點是普通記憶體域 */
#ifdef CONFIG_HIGHMEM
    N_HIGH_MEMORY,      /* The node has regular or high memory 
                           結點是高端記憶體域*/
#else
    /*  沒有高端記憶體域, 仍設置N_NORMAL_MEMORY  */
    N_HIGH_MEMORY = N_NORMAL_MEMORY,
#endif

同樣ZONE_MOVABLE記憶體域同樣用類似的方法設置, 僅當系統中存在ZONE_MOVABLE記憶體域記憶體域(配置了CONFIG_MOVABLE_NODE參數)時, N_MEMORY才被設定, 否則則被設定成N_HIGH_MEMORY, 而N_HIGH_MEMORY設定與否同樣依賴於參數CONFIG_HIGHMEM的設定

#ifdef CONFIG_MOVABLE_NODE
    N_MEMORY,           /* The node has memory(regular, high, movable) */
#else
    N_MEMORY = N_HIGH_MEMORY,
#endif

2.2 結點狀態設置函數

內核提供了輔助函數來設置或者清楚位域活特定結點的一個比特位

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)

此外巨集for_each_node_state(__node, __state)用來迭代處於特定狀態的所有結點,

#define for_each_node_state(__node, __state) \
        for_each_node_mask((__node), node_states[__state])

而for_each_online_node(node)則負責迭代所有的活動結點.

如果內核編譯只支持當個結點(即使用平坦記憶體模型), 則沒有結點點陣圖, 上述操作該點陣圖的函數則變成空操作, 其定義形式如下, 參見include/linux/nodemask.h?v=4.7, line 406

參見內核

#if MAX_NUMNODES > 1
    /*   some real function  */
#else
    /*  some NULL function  */
#endif

3 查找記憶體結點

node_id作為全局節點id。 系統中的NUMA結點都是從0開始編號的

3.1 linux-2.4中的實現

pgdat_next指針域和pgdat_list記憶體結點鏈表

而對於NUMA結構的系統中, 在linux-2.4.x之前的內核中所有的節點，記憶體結點pg_data_t都有一個next指針域pgdat_next指向下一個記憶體結點. 這樣一來系統中所有結點都通過單鏈表pgdat_list鏈接起來, 其末尾是一個NULL指針標記.

這些節點都放在該鏈表中，均由函數init_bootmem_core()初始化結點

那麼內核提供了巨集函數for_each_pgdat(pgdat)來遍歷node節點, 其只需要沿著node_next以此便立即可, 參照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的實現

node_data記憶體節點數組

在新的linux3.x~linux4.x的內核中，內核移除了pg_data_t的pgdat_next之指針域, 同時也刪除了pgdat_list鏈表, 參見Remove pgdat list和Remove pgdat list ver.2

但是定義了一個大小為MAX_NUMNODES類型為pg_data_t數組node_data,數組的大小根據CONFIG_NODES_SHIFT的配置決定. 對於UMA來說，NODES_SHIFT為0，所以MAX_NUMNODES的值為1.

for_each_online_pgdat遍歷所有的記憶體結點

內核提供了for_each_online_pgdatfor_each_online_pgdat(pgdat)來遍歷節點

/**
 * 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可以查找到系統中第一個記憶體節點的pg_data_t信息, next_online_pgdat則查找下一個記憶體節點.

下麵我們來看看first_online_pgdat和next_online_pgdat是怎麼實現的.

first_online_node和next_online_node返回結點編號

由於沒了next指針域pgdat_next和全局node鏈表pgdat_list, 因而內核提供了first_online_node指向第一個記憶體結點, 而通過next_online_node來查找其下一個結點, 他們是通過狀態node_states的點陣圖來查找結點信息的, 定義在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結點的編號, 而有了編號, 我們直接去node_data數組中按照編號進行索引即可去除對應的pg_data_t的信息.內核提供了NODE_DATA(node_id)巨集函數來按照編號來查找對應的結點, 它的工作其實其實就是從node_data數組中進行索引

NODE_DATA(node_id)查找編號node_id的結點pg_data_t信息

移除了pg_data_t->pgdat_next指針域. 但是所有的node都存儲在node_data數組中, 內核提供了函數NODE_DATA直接通過node編號索引節點pg_data_t信息, 參見NODE_DATA的定義

extern struct pglist_data *node_data[];
#define NODE_DATA(nid)          (node_data[(nid)])

在UMA結構的機器中, 只有一個node結點即contig_page_data, 此時NODE_DATA直接指向了全局的contig_page_data, 而與node的編號nid無關, 參照include/linux/mmzone.h?v=4.7, line 858, 其中全局唯一的記憶體node結點contig_page_data定義在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返回結點的pg_data_t

  • 首先通過first_online_node和next_online_node找到節點的編號
  • 然後通過NODE_DATA(node_id)查找到對應編號的結點的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);
}

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    話不多說，直接開乾 一.下載 1.官方鏈接下載： https://www.microsoft.com/zh-cn/sql-server/sql-server-downloads 2.在下載目錄中找到下麵這個小的安裝包 SQL2022-SSEI-Dev.exe，運行開始下載SQL server； 二. ...
  • .NET 開源高性能 MQTT 類庫
    前言 隨著物聯網（IoT）技術的迅猛發展，MQTT（消息隊列遙測傳輸）協議憑藉其輕量級和高效性，已成為眾多物聯網應用的首選通信標準。 MQTTnet 作為一個高性能的 .NET 開源庫，為 .NET 平臺上的 MQTT 客戶端與伺服器開發提供了強大的支持。 本文將全面介紹 MQTTnet 的核心功能 ...
  • Serilog文檔翻譯系列（六） - 可用的接收器、增強器、格式化輸出
    Serilog支持多種接收器用於日誌存儲，增強器用於添加屬性，LogContext管理動態屬性，支持多種輸出格式包括純文本、JSON及ExpressionTemplate。還提供了自定義格式化選項，適用於不同需求。 ...
  • 警惕 Visual Studio 屬性求值副作用導致邏輯不符合預期
    目錄簡介獲取 HTML 文檔解析 HTML 文檔測試參考文章 簡介 動態內容網站使用 JavaScript 腳本動態檢索和渲染數據，爬取信息時需要模擬瀏覽器行為，否則獲取到的源碼基本是空的。 本文使用的爬取步驟如下： 使用 Selenium 獲取渲染後的 HTML 文檔 使用 HtmlAgility ...
  • [使用目前最新版]HybridCLR6.9.0+YooAsset2.2.4實現純C# Unity熱更新方案 (一)
    1.前言 什麼是熱更新 游戲或者軟體更新時，無需重新下載客戶端進行安裝，而是在應用程式啟動的情況下，在內部進行資源或者代碼更新 Unity目前常用熱更新解決方案 HybridCLR，Xlua，ILRuntime等 Unity目前常用資源管理解決方案 AssetBundles，Addressable， ...
  • 在 ASP.NET Core Web API 中使用操作篩選器統一處理通用操作
    本文章主要是在C# ASP.NET Core Web API框架實現向手機發送驗證碼簡訊功能。這裡我選擇是一個互億無線簡訊驗證碼平臺，其實像阿裡雲，騰訊雲上面也可以。 首先我們先去 互億無線 https://www.ihuyi.com/api/sms.html 去註冊一個賬號 註冊完成賬號後，它會送 ...
  • 第28篇 如何.net中實現高效可靠數據同步api
    通過以下方式可以高效，並保證數據同步的可靠性 1.API設計 使用RESTful設計，確保API端點明確，並使用適當的HTTP方法（如POST用於創建，PUT用於更新）。 設計清晰的請求和響應模型，以確保客戶端能夠理解預期格式。 2.數據驗證 在伺服器端進行嚴格的數據驗證，確保接收到的數據符合預期格 ...
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