一、物理內(nèi)存的組織形式：

　　由于物理內(nèi)存是連續(xù)的，頁也是連續(xù)的，每個頁的大小一樣，從0開始給每個頁編號，每個頁用struct page表示，存放在一個大數(shù)組里。因此對于任何一個地址，只要除以頁的大小，就可以得到對應(yīng)頁的編號，根據(jù)下標就可以找到對應(yīng)的struct page結(jié)構(gòu)，這種模型是最經(jīng)典的平坦內(nèi)存模型：

　　所有的CPU總是通過總線去訪問內(nèi)存，這是最經(jīng)典的內(nèi)存使用方法，它可以使用平坦內(nèi)存模型來管理內(nèi)存：

　　在這種模式下，所有的CPU都在總線的一側(cè)，所有的內(nèi)存組成一大塊內(nèi)存在總線的另外一側(cè)，CPU訪問內(nèi)存都需要通過總線訪問，而且距離都是一樣的，這種模式稱為SMP(Symmetric multiprocessing)，即為對稱多處理器。這種模式有一個顯著的缺點，就是每個CPU訪問內(nèi)存都需要通過總線，那么總線就會成為瓶頸：

　　為了提高性能，有了一種更加高級的模式，NUMA(Non-uniform memory access)，非一致內(nèi)存訪問。這種模式下，內(nèi)存不是組成連續(xù)的一大塊，而是每個CPU都有自己的一塊內(nèi)存，CPU訪問內(nèi)存不需要經(jīng)過總線，所以速度上會更快，每個CPU和內(nèi)存組成一個NUMA節(jié)點。但是在本地內(nèi)存不足的情況下，每個CPU會去其他NUMA節(jié)點申請內(nèi)存，此時內(nèi)存的訪問時間就比較長

　　這樣內(nèi)存被分為多個節(jié)點，每個節(jié)點都分成一個一個的頁。由于頁是全局唯一定位的，所以每個頁都需要有一個全局唯一的頁號。但是由于物理內(nèi)存不再是連續(xù)的，所以頁號也不是連續(xù)的，于是內(nèi)存模型就變成了非連續(xù)內(nèi)存模型，管理起來就會比較復雜。

　　二、節(jié)點：

　　下面解析當前主流場景，NUMA方式。

　　為了表示一個NUMA節(jié)點，內(nèi)核定義了struct pglist_struct這樣一個結(jié)構(gòu)體，如下：

　　每個節(jié)點都有自己的ID：node_id

　　node_mem_map是這個節(jié)點struct page數(shù)組，用于描述這個節(jié)點所有的頁

　　node_start_pfn是這個節(jié)點的起始頁號

　　node_spanned_pages是整個物理內(nèi)存包含的頁數(shù)目(包括空洞)

　　node_present_pages是真正可用的物理頁數(shù)目

　　例如：64M物理內(nèi)存隔著4M的空洞，然后再是另外的64M，換算成頁數(shù)目，分別是16K、1K、16K。那么node_spanned_pages就是33K，node_spanned_pages就是32K

　　每個節(jié)點被分為一個一個的區(qū)域zone，存放在node_zones數(shù)組中，數(shù)組的大小為MAX_NR_ZONES，定義如下：

　　這里說明以下，這些分區(qū)都是對物理內(nèi)存的說明：

　　ZONE_DMA：用作DMA的物理內(nèi)存

　　ZONE_DMA32：對于64位CPU，還有這個DMA區(qū)域

　　ZONE_NORMAL：就是直接映射區(qū)

　　ZONE_MOVABLE：可移動區(qū)域，通過將物理內(nèi)存劃分為可移動分配區(qū)域和不可移動分配區(qū)域來避免內(nèi)存碎片

　　__MAX_NR_ZONES：內(nèi)存區(qū)域的數(shù)量

　　內(nèi)核中有一個數(shù)組用來存放節(jié)點：

　　三、區(qū)域：

　　到這里，將內(nèi)存分為節(jié)點，將節(jié)點分為區(qū)域，下面來看一看區(qū)域的定義

　　區(qū)域是zone結(jié)構(gòu)體表示：

　　zone_start_pfn：表示這個屬于這個zone的第一個頁

　　spanned_pages：注釋里有spanned_pages = zone_end_pfn - zone_start_pfn，表示spanned_pages就是結(jié)束頁面減去起始頁面的頁面數(shù)，不管中間是否存在空洞

　　present_pages：注釋里有spanned_pages - absent_pages(pages in holes)，表示減去空洞后的頁面數(shù)

　　managed_pages：注釋中有managed_pages = present_pages - reserved_pages,表示這個zone中被伙伴系統(tǒng)管理的所有的page數(shù)目

　　per_cpu_pageset：用于區(qū)分冷熱頁。什么是冷熱頁？指的是一個頁是否被加載進CPU的高速緩存中。

　　四、頁：

　　在了解區(qū)域后，再來看組成物理內(nèi)存最基本的單位頁，頁的數(shù)組結(jié)構(gòu)使用struct page表示。這個結(jié)構(gòu)體定義非常的復雜，因為支持多種使用模式，所以定義了許多union：

　　第一模式：

　　要用就使用一整頁。這一整頁的內(nèi)存要么直接跟虛擬地址建立映射關(guān)系，這中稱為匿名頁(Anonymous Page)。或者關(guān)聯(lián)一個文件，然后再跟虛擬地址建立映射

　　如果某一頁使用此模式，那么union就使用以下的結(jié)構(gòu)：

　　struct address_space *mapping 就是用于內(nèi)存映射，如果是匿名頁，最低位為1;如果是映射文件，最低位為0

　　pgoff_t index 是映射區(qū)的偏移量

　　atomic_t _mapcount 每個進程都有自己的頁表，這個變量是指有多少個頁表映射到這個物理頁

　　struct list_head lru 表示這一頁應(yīng)該在鏈表上，如果這一頁被換出，那么就應(yīng)該在換出頁的鏈表中

　　compound相關(guān)的變量用于復合頁，就是將物理上連續(xù)的兩個或者多個看成一個獨立的大頁

　　第二種模式：

　　僅需要分配一小塊內(nèi)存，并不需要一整頁。為了滿足這種需求，Linux系統(tǒng)采用了一種被稱為slab allocator的技術(shù)，用于分配slab中的一小塊內(nèi)存。它的基本工作原理是申請一整塊頁，然后劃分成許多小塊的存儲池，用復雜的隊列來維護這些小塊的狀態(tài)(被分配了 / 被放回池子了 / 應(yīng)該被回收)

　　slab對于隊列的維護過于復雜，后來出現(xiàn)了一種不使用隊列的分配器slub allocator，它保留的slab的用戶接口，可以把它看作是slab的另一種實現(xiàn)

　　還有一種小塊內(nèi)存的分配器slob

　　如果某一頁被切分為一小塊一小塊，那么union中就會使用以下結(jié)構(gòu)：

　　s_mem 是已經(jīng)分配了正在使用的slab的第一個對象

　　freelist 是池子的空閑對象

　　rcu_head 是需要釋放的列表

　　五、頁的分配：

　　前面講了物理內(nèi)存的組織，從NUMA節(jié)點到區(qū)域到頁再到小塊。接下倆看物理內(nèi)存的分配

　　對于要分配比較大的內(nèi)存，例如分配頁級別的，可以使用伙伴系統(tǒng)(Buddy System)

　　Linux內(nèi)存管理的頁大小為4K。把所有空閑的頁分組為11個頁塊鏈表，每個鏈表管理相應(yīng)大小的頁塊，有1、2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024個連續(xù)頁的頁塊。最大可以申請1024個連續(xù)的頁，對應(yīng)4M大小的連續(xù)內(nèi)存。每個頁塊第一頁的起始地址是該頁塊大小的整數(shù)倍：

　　在 struct zone 里面有以下的定義：

　　struct free_area free_area[MAX_ORDER];

　　MAX_ORDER表示2的指數(shù)：

　　#define MAX_ORDER 11

　　當申請的頁塊大小介于free_area中兩個頁塊大小之間時，會選取更大的一個頁塊大小，或者如果對應(yīng)的大小沒有空閑的頁塊，那么也會分配一個更大的頁塊。在得到一個更大的頁塊后，會將其進行拆分，然后將空閑的頁塊繼續(xù)插入到對應(yīng)頁塊大小的鏈表中

　　例如申請一個128個頁的頁塊，如果沒有，那么就找256，然后一直如此，直到能夠找到。如果找到的是256個頁的頁塊。那么就會將其拆分為128和128個頁大小的頁塊，然后將一個空閑的頁塊添加到128對應(yīng)的頁塊鏈表中

　　對于這些內(nèi)容，可以在 alloc_pages 函數(shù)中找到定義：

　　order：表示分配2的指數(shù)個頁的頁塊

　　gfp：分配標志，表示要分配那么區(qū)域的物理頁

　　GFP_USER 表示分配一個頁映射到用戶虛擬地址空間，并且希望直接被內(nèi)核或者硬件訪問，主要用于一個用戶進程希望通過內(nèi)存映射的方式，訪問硬件緩存(如顯卡緩存)

　　GFP_KERNEL 用于內(nèi)核中分配頁，主要分配 ZONE_NORMAL 區(qū)域的內(nèi)存

　　GFP_HIGHMEM 用于分配高端區(qū)域的物理內(nèi)存

　　接下來調(diào)用 get_page_from_freelist，這是伙伴系統(tǒng)的核心。它會先循環(huán)查找對應(yīng)節(jié)點的zone，如果找不到，那么就看備用節(jié)點的zone：

　　每一個zone，都有伙伴系統(tǒng)維護的各種大小的隊列

　　rmqueue 就是找到合適大小的隊列，然后將頁塊取下來

　　最終會調(diào)用到 __rmqueue_smallest：

　　從指定的區(qū)域中，按照當前指定的指數(shù)開始查找，如果找不到，那么就到更大的指數(shù)查找。除了將頁塊從鏈表取下，還要將多余的頁面插入到合適的鏈表中，expand 就是完成這個工作：

　　六、總結(jié)：

　　如果有多個CPU，就會有多個NUMA節(jié)點。每個節(jié)點使用 struct pglist_data 表示，存放在一個數(shù)組中

　　每個節(jié)點分為多個區(qū)域，每個區(qū)域使用 struct zone 表示，也存放在一個數(shù)組中

　　每個區(qū)域分為多個頁，空閑頁存放在 struct free_area 中，使用伙伴系統(tǒng)進行管理和分配

　　每一頁都是使用 struct page 表示：