在内存管理的上下文中, 初始化(initialization)可以有多种含义. 在许多CPU上, 必须显式设置适用于Linux内核的内存模型. 例如在x86_32上需要切换到保护模式, 然后内核才能检测到可用内存和寄存器.
而我们今天要讲的bootmem分配器就是系统初始化阶段使用的内存分配器.
为什么要使用bootmem分配器，内存管理不是有buddy系统和slab分配器吗？由于在系统初始化的时候需要执行一些内存管理，内存分配的任务，这个时候buddy系统，slab分配器等并没有被初始化好，此时就引入了一种内存管理器bootmem分配器在系统初始化的时候进行内存管理与分配，当buddy系统和slab分配器初始化好后，在mem_init()中对bootmem分配器进行释放，内存管理与分配由buddy系统，slab分配器等进行接管。
bootmem分配器使用一个bitmap来标记物理页是否被占用，分配的时候按照第一适应的原则，从bitmap中进行查找，如果这位为1，表示已经被占用，否则表示未被占用。为什么系统运行的时候不使用bootmem分配器呢？bootmem分配器每次在bitmap中进行线性搜索，效率非常低，而且在内存的起始端留下许多小的空闲碎片，在需要非常大的内存块的时候，检查位图这一过程就显得代价很高。bootmem分配器是用于在启动阶段分配内存的，对该分配器的需求集中于简单性方面，而不是性能和通用性.
2. 引导内存分配器bootmem概述
由于硬件配置多种多样, 所以在编译时就静态初始化所有的内核存储结构是不现实的.
bootmem分配器是系统启动初期的内存分配方式，在耳熟能详的伙伴系统建立前内存都是利用bootmem分配器来分配的，伙伴系统框架建立起来后，bootmem会过度到伙伴系统.
2.1 初始化阶段的引导内存分配器bootmem
在启动过程期间, 尽管内存管理尚未初始化, 但是内核仍然需要分配内存以创建各种数据结构. 因此在系统启动过程期间, 内核使用了一个额外的简化形式的内存管理模块引导内存分配器(boot memory allocator–bootmem分配器), 用于在启动阶段早期分配内存, 而在系统初始化完成后, 该分配器被内核抛弃, 然后初始化了一套新的更加完善的内存分配器.
显然, 对该内存分配器的需求集中于简单性方面, 而不是性能和通用性, 它仅用于初始化阶段. 因此内核开发者决定实现一个最先适配(first-first)分配器用于在启动阶段管理内存. 这是可能想到的最简单的方式.
引导内存分配器(boot memory allocator–bootmem分配器)基于最先适配(first-first)分配器的原理(这儿是很多系统的内存分配所使用的原理), 使用一个位图来管理页, 以位图代替原来的空闲链表结构来表示存储空间, 位图的比特位的数目与系统中物理内存页面数目相同. 若位图中某一位是1, 则标识该页面已经被分配(已用页), 否则表示未被占有(未用页).
在需要分配内存时, 分配器逐位的扫描位图, 直至找到一个能提供足够连续页的位置, 即所谓的最先最佳(first-best)或最先适配位置.
该分配机制通过记录上一次分配的页面帧号(PFN)结束时的偏移量来实现分配大小小于一页的空间, 连续的小的空闲空间将被合并存储在一页上.
2.2 为什么需要bootmem
2.3 为什么在系统运行时抛弃bootmem
当系统运行时, 为何不继续使用bootmem分配机制呢?
- 其中一个关键原因在于 : 但它每次分配都必须从头扫描位图, 每次通过对内存域进行线性搜索来实现分配.
- 其次首先适应算法容易在内存的起始断留下许多小的空闲碎片, 在需要分配较大的空间页时, 检查位图的成本将是非常高的.
引导内存分配器bootmem分配器简单却非常低效, 因此在内核完全初始化之后, 不能将该分配器继续欧诺个与内存管理, 而伙伴系统(连同slab, slub或者slob分配器)是一个好很多的备选方案．
3 引导内存分配器数据结构
内核用bootmem_data表示引导内存区域
即使是初始化用的最先适配分配器也必须使用一些数据结构存, 内核为系统中每一个结点都提供了一个struct bootmem_data结构的实例, 用于bootmem的内存管理. 它含有引导内存分配器给结点分配内存时所需的信息. 当然, 这时候内存管理还没有初始化, 因而该结构所需的内存是无法动态分配的, 必须在编译时分配给内核.
在UMA系统上该分配的实现与CPU无关, 而NUMA系统内存结点与CPU相关联, 因此采用了特定体系结构的解决方法.
3.1 bootmem_data描述内存引导区
bootmem_data的结构定义在include/linux/bootmem.h?v=4.7, line 28, 其定义如下所示
#ifndef CONFIG_NO_BOOTMEM
/*
* node_bootmem_map is a map pointer - the bits represent all physical
* memory pages (including holes) on the node.
*/
typedef struct bootmem_data {
unsigned long node_min_pfn;
unsigned long node_low_pfn;
void *node_bootmem_map;
unsigned long last_end_off;
unsigned long hint_idx;
struct list_head list;
} bootmem_data_t;
extern bootmem_data_t bootmem_node_data[];
#endif| 字段 | 描述 |
|---|---|
| node_min_pfn | 节点起始地址 |
| node_low_pfn | 低端内存最后一个page的页帧号 |
| node_bootmem_map | 指向内存中位图bitmap所在的位置 |
| last_end_off | 分配的最后一个页内的偏移，如果该页完全使用，则offset为0 |
| hint_idx | |
| list |
bootmem的位图建立在从start_pfn开始的地方, 也就是说, 内核映像终点_end上方的地方. 这个位图用来管理低区（例如小于 896MB), 因为在0到896MB的范围内, 有些页面可能保留, 有些页面可能有空洞, 因此, 建立这个位图的目的就是要搞清楚哪一些物理页面是可以动态分配的
- node_bootmem_map就是一个指向位图的指针. node_min_pfn表示存放bootmem位图的第一个页面(即内核映像结束处的第一个页面)
- node_low_pfn 表示物理内存的顶点, 最高不超过896MB
4 初始化引导分配器
系统是从start_kernel开始启动的, 在启动过程中通过调用体系结构相关的setup_arch函数, 来获取初始化引导内存分配器所需的参数信息, 各种体系结构都有对应的函数来获取这些信息, 在获取信息完成后, 内核首先初始化了bootmem自身, 然后接着又用bootmem分配和初始化了内存结点和管理域, 因此初始化bootmem的工作主要分成两步
- 初始化bootmem自身的数据结构
- 用bootmem初始化内存结点管理域
bootmem分配器