Linux支持多种硬件体系结构,因此Linux必须采用通用的方法来描述内存,以方便对内存进行管理。为此,Linux有了内存节点、内存区、页框的概念,这些概念也是一目了然的。

内存节点:主要依据CPU访问代价的不同而划分。多CPU下环境下,本地内存和远端内存就是不同的节点。即使在单CPU环境下,访问所有内存的代价都是一样的,Linux内核依然存在内存节点的概念,只不过只有一个内存节点而已。内核以struct  pg_data_t来描述内存分区。

内存分区:Linux对内存节点再进行划分,分为不同的分区。内核以struct zone来描述内存分区。通常一个节点分为DMA、Normal和High Memory内存区,具体下面再介绍。

页框:Linux采用页式内存管理,页是物理内存管理的基本单位,每个内存分区又由大量的页框组成。内核以struct page来描述页框。页框有很多属性,这些属性描述了这个页框的状态、用途等,例如是否被分配。





上图中的zone_mem_map是一个页框的数组,它记录了一个内存分区的所有页框的使用情况。



DMA内存区:即直接内存访问分区,通常为物理内存的起始16M。主要是供一些外设使用,外设和内存直接访问数据访问,而无需系统CPU的参与。

Normal内存区:从16M到896M内存区。

HighMemory内存区:896M以后的内存区。



为什么高端内存的边界是896M?这是因为,32位Linux虚拟内存空间为0-4G,其中0-3G用于用户态,3G-4G用于内核态。这意味着内核只有1G的虚拟地址空间,如果物理内存超过1G,内核就无法映射了。Linux采取的策略是,内核地址空间的前896M采用固定映射,映射方法是:虚拟地址-3G = 物理地址,只能映射到物理地址的前896M。也就是说内核虚拟地址空间的3G到3G+896M这部分,页表的映射是固定的,系统初始化时就建立起来。而虚拟地址空间的最后128M,也就是3G+896M到4G部分采用动态映射,也就是说页表映射的物理地址可变的。在系统运行过程中,通过更新页表,就可以映射到不同的物理地址,当然也包括高端物理内存。



这主要解决了两个问题:第一,这可以使内核地址空间映射到高端物理内存;第二,虚拟地址空间的3G+896M到4G部分,连续的虚拟地址空间可以映射到非连续的物理内存,只要通过更新页表就可以做到,这和用户态的虚拟内存映射采用了同样这种方法。这在没有大段连续的空闲物理地址时,是非常重要的。



备用内存区:

在一个内存区分配页时,如果这个内存区没有满足条件的内存页,则需要从其它内存区或从其它内存节点分配。Linux为每个内存区都建立了备用内存区列表,当前内存区没有满足条件的内存时,就从备用内存区分配。比如,系统中有4个内存节点A,B,C,D,每个内存节点又分为DMA、Normal、HighMemory内存区。对节点B来说,内存区分配列表可能是B(HighMemory)、B(Normal)、B(DMA)、

A(HighMemory)、A(Normal)、A(DMA)、
C(HighMemory)、C(Normal)、C(DMA)、
D(HighMemory)、D(Normal)、D(DMA)。

分配内存时,优先从本地内存节点分配,再从其它内存节点分配。对一个内存节点,优先从HighMemory分配,再从Normal或DMA分配。

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