9.启动过程期间的内存管理(bootmem分配器)

在启动过程期间，尽管内存管理尚未初始化，但内核仍然需要分配内存以创建各种数据结构。bootmem分配器用于在启动阶段早期分配内存。

1. 数据结构

即使最先适配分配器也必须管理一些数据。内核（为系统中的每个结点都）提供了一个bootmem_data结构的实例，用于该用途。当然，该结构所需的内存无法动态分配，必须在编译时分配给内核。

bootmem_data结构定义如下：

<bootmem.h>
typedef struct bootmem_data {
　　unsigned long 　　node_boot_start;
　　unsigned long 　　node_low_pfn;
　　void *　　　　　　node_bootmem_map;
　　unsigned long 　　last_offset;
　　unsigned long 　　last_pos;
　　unsigned long 　　last_success;
　　struct list_head 　  list;
} bootmem_data_t;

 

 

在下面提到页时，总是指物理页帧。

 node_boot_start保存了系统中第一个页的编号，大多数体系结构下都是零。

 node_low_pfn是可以直接管理的物理地址空间中最后一页的编号。换句话说，即ZONE_NORMAL的结束页。

 node_bootmem_map是指向存储分配位图的内存区的指针。在IA-32系统上，用于该用途的内存区紧接着内核映像之后。对应的地址保存在_end变量中，该变量在链接期间自动地插入到内核映像中。

 last_pos是上一次分配的页的编号。如果没有请求分配整个页，则last_offset用作该页内部的偏移量。这使得bootmem分配器可以分配小于一整页的内存区（伙伴系统无法做到这一点）。

 last_success指定位图中上一次成功分配内存的位置，新的分配将由此开始。尽管这使得最先适配算法稍快了一点，但仍然无法真正代替更复杂的技术。

 内存不连续的系统可能需要多个bootmem分配器。一个典型的例子是NUMA计算机，其中每个结点注册了一个bootmem分配器，但如果物理地址空间中散布着空洞，也可以为每个连续内存区注册一个bootmem分配器。注册新的自举分配器可使用init_bootmem_core，所有注册的分配器保存在一个链表中，表头是全局变量bdata_list。在UMA系统上，只需一个bootmem_t实例，即contig_bootmem_data。它通过bdata成员与contig_page_data关联起来。

mm/page_alloc.c

static bootmem_data_t contig_bootmem_data;

struct pglist_data contig_page_data = { .bdata = &contig_bootmem_data };

2. 初始化

bootmem分配器的初始化是一个特定于体系结构的过程，此外还取决于所述计算机的内存布局。正如前文的讨论，IA-32使用setup_memory，该函数又调用setup_bootmem_allocator来初始化

bootmem分配器。

 

 setup_memory分析检测到的内存区，以找到低端内存区中最大的页帧号。全局变量max_low_pfn保存了可映射的最高页的编号。

 

基于该信息，setup_bootmem_allocator接下来负责发起所有必要的步骤，以初始化bootmem分配器。它首先调用通用函数init_bootmem，该函数是init_bootmem_core的一个前端。

init_bootmem_core的目的在于执行bootmem分配器的第一个初始化步骤。先前检测到的低端内存页帧的范围输入到相应的bootmem_data_t实例中，这里是contig_bootmem_data。

register_bootmem_low_pages通过将位图中对应的比特位清零，释放所有潜在可用的内存页。

 

最初在位图contig_bootmemdata->node_bootmem_map中，所有的页都标记为已用。由于bootmem分配器需要一些内存页管理分配位图，必须首先调用reserve_bootmem分配这些内存页。

 分配内存

在NUMA系统上，__alloc_bootmem_node则用于实现该API函数。

首先，工作传递到__alloc_bootmem_core，尝试在该结点的bootmem分配器进行分配。如果失败，则后退到__alloc_bootmem，并将尝试所有的结点。

mm/bootmem.c

void * __init __alloc_bootmem(unsigned long size, unsigned long align,unsigned long goal)

__alloc_bootmem需要3个参数来描述内存分配请求：size是所需内存区的长度，align表示数据的对齐方式，而goal指定了开始搜索适当空闲内存区的起始地址。

(1) 从goal开始，扫描位图，查找满足分配请求的空闲内存区。

(2) 如果目标页紧接着上一次分配的页，即bootmem_data-> last_pos，内核会检查bootmem_data->last_offset，判断所需的内存（包括对齐数据所需的空间）是否能够在上一页分配或从上一页开始分配。

(3) 新分配的页在位图对应的比特位设置为1。最后一页的数目也保存在bootmem_data->last_pos。如果该页未完全分配，则相应的偏移量保存在bootmem_data->last_offset；否则，该值设置为0。

 释放内存

NUMA系统上函数的名称为free_bootmem_node，它需要一个额外的参数来指定结点。

<bootmem.h>

void free_bootmem_node(pg_data_t *pgdat,unsigned long addr,unsigned long size);

 

将其工作委托给__free_bootmem_core。只能释放整页，因为bootmem分配器没有保存有关页划分的任何信息。内核使用__free_bootmem_core首先计算完全包含在该内存区中、将被释放的页。只是部分包含在内存区中的页将忽略。位图中对应的项设置为0，完成页的释放。该过程隐藏了一些风险，如果页包含在两个不同的内存区中，那么连续释放这些内存区，却无法释放该页。包含页的前一半和后一半的内存区在间隔一段时间后分别被释放，分配器无法了解到该页是否不再使用，因而也无法释放。该页的状态就一直保持为“使用中”，尽管事实上不是这样。尽管如此，由于free_bootmem很少使用，这也不是大问题。系统初始化期间分配的大多数内存区都用于基本的数据结构，在内核运行的所有时间都需要使用，因此无需释放。

 

 停用bootmem分配器

在NUMA系统上，停用由free_all_bootmem_node完成。在伙伴系统建立之后，特定于体系结构的初始化代码需要调用这个函数。首先扫描bootmem分配器的页位图，释放每个未用的页。到伙伴系统的接口是__free_pages_bootmem函数，该函数对每个空闲页调用。该函数内部依赖于标准函数__free_page。它使得这些页并入伙伴系统的数据结构，在其中作为空闲页管理，可用于分配。在页位图已经完全扫描之后，它占据的内存空间也必须释放。此后，只有伙伴系统可用于内存分配。

 释放初始化数据

许多内核代码块和数据表只在系统初始化阶段需要。

内核提供了两个属性（__init和__initcall）用于标记初始化函数和数据。这些必须置于函数或数据的声明之前。__init属性插入到函数声明中返回类型和函数名之间。

__init和__initdata不能使用普通的C语言实现，因此内核必须再一次借助于特殊的GNU C编译器语句。

初始化函数实现的背后，其一般性的思想在于，将数据保持在内核映像的一个特定部分，在启动结束时可以完全从内存删除。下列宏的定义即怀着这个目的：

<init.h>

#define __init __attribute__ ((__section__ (".init.text"))) __cold

#define __initdata __attribute__ ((__section__ (".init.data")))

__attribute__ 详细信息参见 __attribute__机制。

__attribute__是一个特殊的GNU C关键字，属性即通过该关键字使用。__section__属性用于通知编译器将随后的数据或函数分别写入二进制文件的.init.data和.init.text段（不熟悉ELF文件结构的读者可参考相关资料)

为从内存中释放初始化数据，内核不必知道数据的性质，即哪些数据和函数保存在内存中和它们的用途都是完全不相干的。唯一相关的信息是这些数据和函数在内存中开始和结束的地址。

由于该信息在编译时无法得到，它是内核在链接时插入的。为提供该信息，内核定义了一对变量__init_begin和__init_end，其含义很明显。

free_initmem负责释放用于初始化的内存区，并将相关的页返回给伙伴系统。在启动过程刚好结束时会调用该函数，紧接其后init作为系统中第一个进程启动。启动日志包含了一条信息，指出释放了多少内存。