linux内存管理分析2.docx

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linux内存管理分析2

linux内存管理分析【二】

2012-11-1921:

09:

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2内存管理系统建立过程

为建立内存管理系统，在内核初始化过程中调用了下面几个函数：

init/main.c

asmlinkagevoid__initstart_kernel（void）

{

......

初始化持久映射与临时映射的一些信息，后面持久映射和临时映射一节将详细讲解

page_address_init（）;

setup_arch是特定于体系架构的函数，负责初始化自举分配器和内核页表等。

setup_arch（&command_line）;

......

初始化per_cpu机制的一些结构，将.data.percpu段中的数据拷贝到每个CPU的数据段中

setup_per_cpu_areas（）;

......

建立结点和内存域之间的关系

build_all_zonelists（NULL）;

......

停用自举分配器bootmem，迁移到实际的内存管理中，初始化slab分配器，初始化进程虚拟地址空间管理结构

mm_init（）;

......

为每一个内存区域分配per_cpu_pageset结构并初始化其成员

setup_per_cpu_pageset（）;

......

}

【start_kernel--->setup_arch】

arch/arm/kernel/setup.c

void__initsetup_arch（char**cmdline_p）

{

structmachine_desc*mdesc;

内核参数可以通过平坦设备树或者tags由bootloader传递给内核。

每一个机器平台都由一个structmachine_desc结构来描述，内核所支持的所有平台对应的machine_desc结构都包含在段.init.arch.info的__arch_info_begin到__tagtable_end之间。

但每一个平台都有其唯一的机器码machine_arch_type，可通过机器码在段.init.arch.info中找到对应的平台描述结构。

函数setup_machine_tags就是根据机器码找到对应的平台描述结构，并且分析内核参数中内存相关的信息，用以初始化内存块管理结构membank。

mdesc=setup_machine_fdt（__atags_pointer）;

if（!

mdesc）

mdesc=setup_machine_tags（machine_arch_type）;

machine_desc=mdesc;

machine_name=mdesc->name;

根据mdesc->dma_zone_size设置DMA区域的大小arm_dma_zone_size，和DMA区域的结束地址arm_dma_limit

setup_dma_zone（mdesc）;

结构structmm_struct管理进程的虚拟地址空间，所有内核线程都使用共同的地址空间，因为他们都是用相同的地址映射，这个地址空间由init_mm来描述。

_text和_etext表示内核镜像代码段的起始和结束位置，_etext和_edata之间是已初始化数据段，_edata到_end是未初始化数据段等，_end之后便是堆区。

init_mm.start_code=（unsignedlong）_text;

init_mm.end_code=（unsignedlong）_etext;

init_mm.end_data=（unsignedlong）_edata;

init_mm.brk=（unsignedlong）_end;

内核命令行参数在函数setup_machine_tags获取并保存在了boot_command_line中

strlcpy（cmd_line,boot_command_line,COMMAND_LINE_SIZE）;

*cmdline_p=cmd_line;

分析命令行参数，主要关注一些与内存相关的东西

parse_early_param（）;

将内存块按从小到大排序

sort（&meminfo.bank,meminfo.nr_banks,sizeof（meminfo.bank[0]）,meminfo_cmp,NULL）;

扫描各个内存块，检测低端内存的最大值arm_lowmem_limit，设置高端内存起始值的虚拟地址high_memory

sanity_check_meminfo（）;

将所有内存块添加到结构memblock的memory区中，将已使用的内存添加到reserved区中去。

arm_memblock_init（&meminfo,mdesc）;

创建内核页表，初始化自举分配器

paging_init（mdesc）;

内核中将许多物理资源用structresource结构来管理，下面函数就是将IO内存作为resource注册到内核

request_standard_resources（mdesc）;

......

如果内核命令行中有预留用于内核crash是的转存空间，就将这些存储空间标记为已分配reserve_crashkernel（）;

......

}

【start_kernel--->setup_arch--->setup_machine_tags】

arch/arm/kernel/setup.c

staticstructmachine_desc*__initsetup_machine_tags（unsignedintnr）

{

structtag*tags=（structtag*）&init_tags;

structmachine_desc*mdesc=NULL,*p;

char*from=default_command_line;

init_tags.mem.start=PHYS_OFFSET;

下面循环根据机器号在段.init.arch.info中寻找对应的machine_desc结构

for_each_machine_desc（p）

if（nr==p->nr）{

printk（"Machine:

%s\n",p->name）;

mdesc=p;

break;

}

......

Bootloader传入的参数地址存放在__atags_pointer中

if（__atags_pointer）

tags=phys_to_virt（__atags_pointer）;

elseif（mdesc->atag_offset）

tags=（void*）（PAGE_OFFSET+mdesc->atag_offset）;

......

内核参数是由structtag来管理，其中第一个tag类型必然是ATAG_CORE

if（tags->hdr.tag!

=ATAG_CORE）{

......

tags=（structtag*）&init_tags;内核提供的一个默认参数列表

}

函数mdesc->fixup中一般会获取内存块的信息

if（mdesc->fixup）

mdesc->fixup（tags,&from,&meminfo）;

if（tags->hdr.tag==ATAG_CORE）{

如果内存块已经初始化，就将参数列表中关于内存的参数标记为ATAG_NONE

if（meminfo.nr_banks!

=0）

squash_mem_tags（tags）;

将参数列表拷贝到一个静态数组atags_copy中

save_atags（tags）;

分析内核参数，后面细讲

parse_tags（tags）;

}

将解析出来的内核命令行信息拷贝到静态数组boot_command_line中。

在内核启动期间用了很多静态存储空间，它们前面缀有__initdata，像这样的空间在内核启动起来后将被释放

strlcpy（boot_command_line,from,COMMAND_LINE_SIZE）;

returnmdesc;

}

【start_kernel--->setup_arch--->setup_machine_tags--->parse_tags】

arch/arm/kernel/setup.c

staticvoid__initparse_tags（conststructtag*t）

{

遍历参数列表中每一个参数结构

for（;t->hdr.size;t=tag_next（t））

if（!

parse_tag（t））

......

}

【start_kernel--->setup_arch--->setup_machine_tags--->parse_tags--->parse_tag】

arch/arm/kernel/setup.c

staticint__initparse_tag（conststructtag*tag）

{

externstructtagtable__tagtable_begin,__tagtable_end;

structtagtable*t;

参数类型多种多样解析方式也各不相同，所有针对每一种参数类型都有一个对应的解析函数，这些解析函数和其参数类型由结构structtagtable来管理。

这些结构都存放在段.init.tagtable的__tagtable_begin和__tagtable_end之间。

for（t=&__tagtable_begin;t<&__tagtable_end;t++）

if（tag->hdr.tag==t->tag）{

t->parse（tag）;

break;

}

returnt<&__tagtable_end;

}

参数ATAG_MEM的解析函数定义如下：

arch/arm/kernel/setup.c

staticint__initparse_tag_mem32（conststructtag*tag）

{

returnarm_add_memory（tag->u.mem.start,tag->u.mem.size）;

}

__tagtable（ATAG_MEM,parse_tag_mem32）;

【parse_tag_mem32--->arm_add_memory】

从ATAG_MEM参数中获取内存信息，初始化内存块管理结构

int__initarm_add_memory（phys_addr_tstart,unsignedlongsize）

{

structmembank*bank=&meminfo.bank[meminfo.nr_banks];

if（meminfo.nr_banks>=NR_BANKS）{

printk（KERN_CRIT"NR_BANKStoolow,"

"ignoringmemoryat0x%08llx\n",（longlong）start）;

return-EINVAL;

}

size-=start&~PAGE_MASK;

bank->start=PAGE_ALIGN（start）;

#ifndefCONFIG_LPAE

if（bank->start+sizestart）{

size=ULONG_MAX-bank->start;

}

#endif

bank->size=size&PAGE_MASK;

if（bank->size==0）

return-EINVAL;

meminfo.nr_banks++;

return0;

}

【start_kernel--->setup_arch--->sanity_check_meminfo】

arch/arm/mm/mmu.c

void__initsanity_check_meminfo（void）

{

inti,j,highmem=0;

遍历每一个内存块

for（i=0,j=0;i

structmembank*bank=&meminfo.bank[j];

*bank=meminfo.bank[i];

if（bank->start>ULONG_MAX）

highmem=1;

#ifdefCONFIG_HIGHMEM

vmalloc_min在文件arch/arm/mm/mmu.c中定义，它定义了高端内存的起始位置。

PAGE_OFFSET是物理位置的起始处。

如果内存块起始位置大于vmalloc_min，表示存在高端内存。

如果内存扩展超过32位，它就有可能小于PAGE_OFFSET。

if（__va（bank->start）>=vmalloc_min||

__va（bank->start）<（void*）PAGE_OFFSET）

highmem=1;

标志该内存块是否处于高端内存中

bank->highmem=highmem;

如果该内存块部分处于高端内存中，部分处于低端内存中就将其分为两个内存块。

if（!

highmem&&__va（bank->start）

bank->size>vmalloc_min-__va（bank->start））{

if（meminfo.nr_banks>=NR_BANKS）{

......

}else{

memmove（bank+1,bank,

（meminfo.nr_banks-i）*sizeof（*bank））;

meminfo.nr_banks++;

i++;

bank[1].size-=vmalloc_min-__va（bank->start）;

bank[1].start=__pa（vmalloc_min-1）+1;

bank[1].highmem=highmem=1;

j++;

}

bank->size=vmalloc_min-__va（bank->start）;

}

#else如果不支持高端内存做如下处理

bank->highmem=highmem;

if（highmem）{

......

continue;

}

if（__va（bank->start）>=vmalloc_min||

__va（bank->start）<（void*）PAGE_OFFSET）{

......

continue;

}

if（__va（bank->start+bank->size）>vmalloc_min||

__va（bank->start+bank->size）<__va（bank->start））{

unsignedlongnewsize=vmalloc_min-__va（bank->start）;

......

bank->size=newsize;

}

#endif

求出低端内存的最大地址值

if（!

bank->highmem&&bank->start+bank->size>arm_lowmem_limit）

arm_lowmem_limit=bank->start+bank->size;

j++;

}

......

meminfo.nr_banks=j;记录内存块数

计算高端内存起始地址，该值不一定等于vmalloc_min，因为可能没有高端内存

high_memory=__va（arm_lowmem_limit-1）+1;

memblock_set_current_limit（arm_lowmem_limit）;

}

【start_kernel--->setup_arch--->arm_memblock_init】

arch/arm/mm/init.c

void__initarm_memblock_init（structmeminfo*mi,structmachine_desc*mdesc）

{

inti;

将所有内存模块添加到memblock.memory中。

结构体memblock在文件mm/memblock.c中定义，如下：

structmemblockmemblock__initdata_memblock={

.memory.regions=memblock_memory_init_regions,

......

.reserved.regions=memblock_reserved_init_regions,

......

};

for（i=0;inr_banks;i++）

memblock_add（mi->bank[i].start,mi->bank[i].size）;

如果内核在rom中运行就只将它的数据段开始的空间添加到memblock.reserved中，否则将内核代码段开始的空间添加到memblock.reserved中。

#ifdefCONFIG_XIP_KERNEL

memblock_reserve（__pa（_sdata）,_end-_sdata）;

#else

memblock_reserve（__pa（_stext）,_end-_stext）;

#endif

#ifdefCONFIG_BLK_DEV_INITRD

如果支持initrd启动，此时它还不在内存中

if（phys_initrd_size&&

!

memblock_is_region_memory（phys_initrd_start,phys_initrd_size））{

pr_err（"INITRD:

0x%08lx+0x%08lxisnotamemoryregion-disablinginitrd\n",

phys_initrd_start,phys_initrd_size）;

phys_initrd_start=phys_initrd_size=0;

}

if（phys_initrd_size&&

memblock_is_region_reserved（phys_initrd_start,phys_initrd_size））{

pr_err（"INITRD:

0x%08lx+0x%08lxoverlapsin-usememoryregion-disablinginitrd\n",

phys_initrd_start,phys_initrd_size）;

phys_initrd_start=phys_initrd_size=0;

}

为inird镜像预留一块存储区

if（phys_initrd_size）{

memblock_reserve（phys_initrd_start,phys_initrd_size）;

initrd_start=__phys_to_virt（phys_initrd_start）;

initrd_end=initrd_start+phys_initrd_size;

}

#endif

为内核页表分配存储空间

arm_mm_memblock_reserve（）;

......

}

【start_kernel--->setup_arch--->paging_init】

arch/arm/mm/mmu.c

void__initpaging_init（structmachine_desc*mdesc）

{

void*zero_page;

memblock_set_current_limit（arm_lowmem_limit）;

根据不同的arm版本初始化不同的mem_types，该结构存放着页表的一些属性相关信息

build_mem_type_table（）;

将除了内核镜像、主内存所在虚拟地址之外全部内存的页表清除掉

prepare_page_table（）;

为低端内存的所有区域创建内核页表

map_lowmem（）;

对DMA区域重新创建页表

dma_contiguous_remap（）;

为设备IO空间和中断向量表创建页表，并刷新TLB和缓存

devicemaps_init（mdesc）;

获取持久映射区页表的位置，存储在pkmap_page_table中

kmap_init（）;

高64K是用于存放中断向量表的

top_pmd=pmd_off_k（0xffff0000）;

分配一个0页，该页用于写时复制机制。

zero_page=early_alloc（PAGE_SIZE）;

初始化自举内存分配，后面有专门章节讲解

bootmem_init（）;

empty_zero_page=virt_to_page（zero_page）;

刷新数据缓存

__flush_dcache_page（NULL,empty_zero_page）;

}

【start_kernel--->setup_arch--->paging_init--->prepare_page_table】

arch/arm/mm/mmu.c

staticinlinevoidprepare_page_table（void）

{

unsignedlongaddr;

phys_addr_tend;

模块加载的范围应该是在MODULES_VADDR到MODULES_END之间，MODULES_VADDR在文件arch/arm/include/asm/memory.h中定义，如下：

#defineMODULES_VADDR（PAGE_OFFSET-8*1024*1024）

对于arm处理器，该区域在正常内核虚拟地址之下。

清除存储空间在MODULES_VADDR之下的页表项。

for（addr=0;addr

pmd_clear（pmd_off_k（addr））;

#ifdefCONFIG_XIP_KERNEL

addr=（（unsignedlong）_etext+PMD_SIZE-1）&PMD_MASK;

#endif

for（;addr

pmd_clear（pmd_off_k（addr））;

第一个存储区存放的是内核镜像，跳过该区域，即不清除这个区域的页表

end=memblock.memory.regions[0].base+memblock.memory.regions[0].size;

if（end>=arm_lowmem_limit）

end=arm_lowmem_