1 内存管理域zone

为了支持NUMA模型，也即CPU对不同内存单元的访问时间可能不同，此时系统的物理内存被划分为几个节点(node), 一个node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点

• 首先, 内存被划分为结点. 每个节点关联到系统中的一个处理器, 内核中表示为pg_data_t的实例. 系统中每个节点被链接到一个以NULL结尾的pgdat_list链表中,而其中的每个节点利用pg_data_tnode_next字段链接到下一节．而对于PC这种UMA结构的机器来说, 只使用了一个成为contig_page_data的静态pg_data_t结构.
• 接着各个节点又被划分为内存管理区域, 一个管理区域通过struct zone_struct描述, 其被定义为zone_t, 用以表示内存的某个范围, 低端范围的16MB被描述为ZONE_DMA, 某些工业标准体系结构中的(ISA)设备需要用到它, 然后是可直接映射到内核的普通内存域ZONE_NORMAL,最后是超出了内核段的物理地址域ZONE_HIGHMEM, 被称为高端内存.　是系统中预留的可用内存空间, 不能被内核直接映射.

下面我们就来详解讲讲内存管理域的内容zone

2 为什么要将内存node分成不同的区域zone

NUMA结构下, 每个处理器CPU与一个本地内存直接相连, 而不同处理器之前则通过总线进行进一步的连接, 因此相对于任何一个CPU访问本地内存的速度比访问远程内存的速度要快, 而Linux为了兼容NUMAJ结构, 把物理内存相依照CPU的不同node分成簇, 一个CPU-node对应一个本地内存pgdata_t.

这样已经很好的表示物理内存了, 在一个理想的计算机系统中, 一个页框就是一个内存的分配单元, 可用于任何事情:存放内核数据, 用户数据和缓冲磁盘数据等等. 任何种类的数据页都可以存放在任页框中, 没有任何限制.

但是Linux内核又把各个物理内存节点分成个不同的管理区域zone, 这是为什么呢?

因为实际的计算机体系结构有硬件的诸多限制, 这限制了页框可以使用的方式. 尤其是, Linux内核必须处理80x86体系结构的两种硬件约束.

• ISA总线的直接内存存储DMA处理器有一个严格的限制 : 他们只能对RAM的前16MB进行寻址
• 在具有大容量RAM的现代32位计算机中, CPU不能直接访问所有的物理地址, 因为线性地址空间太小, 内核不可能直接映射所有物理内存到线性地址空间, 我们会在后面典型架构(x86)上内存区域划分详细讲解x86_32上的内存区域划分

因此Linux内核对不同区域的内存需要采用不同的管理方式和映射方式, 因此内核将物理地址或者成用zone_t表示的不同地址区域

3 内存管理区类型zone_type

前面我们说了由于硬件的一些约束, 低端的一些地址被用于DMA, 而在实际内存大小超过了内核所能使用的现行地址的时候, 一些高地址处的物理地址不能简单持久的直接映射到内核空间. 因此内核将内存的节点node分成了不同的内存区域方便管理和映射.

Linux使用enum zone_type来标记内核所支持的所有内存区域

3.1 内存区域类型zone_type

zone_type结构定义在include/linux/mmzone.h, 其基本信息如下所示

enum zone_type
{
#ifdef CONFIG_ZONE_DMA
    ZONE_DMA,
#endif

#ifdef CONFIG_ZONE_DMA32

    ZONE_DMA32,
#endif

    ZONE_NORMAL,

#ifdef CONFIG_HIGHMEM
    ZONE_HIGHMEM,
#endif
    ZONE_MOVABLE,
#ifdef CONFIG_ZONE_DEVICE
    ZONE_DEVICE,
#endif
    __MAX_NR_ZONES

};

不同的管理区的用途是不一样的，ZONE_DMA类型的内存区域在物理内存的低端，主要是ISA设备只能用低端的地址做DMA操作。ZONE_NORMAL类型的内存区域直接被内核映射到线性地址空间上面的区域（line address space），ZONE_HIGHMEM将保留给系统使用，是系统中预留的可用内存空间，不能被内核直接映射。

3.2 不同的内存区域的作用

在内存中，每个簇所对应的node又被分成的称为管理区(zone)的块，它们各自描述在内存中的范围。一个管理区(zone)由struct zone结构体来描述，在linux-2.4.37之前的内核中是用typedef struct zone_struct zone_t数据结构来描述）

管理区的类型用zone_type表示, 有如下几种

管理内存域	描述
ZONE_DMA	标记了适合DMA的内存域. 该区域的长度依赖于处理器类型. 这是由于古老的ISA设备强加的边界. 但是为了兼容性, 现代的计算机也可能受此影响
ZONE_DMA32	标记了使用32位地址字可寻址, 适合DMA的内存域. 显然, 只有在53位系统中ZONE_DMA32才和ZONE_DMA有区别, 在32位系统中, 本区域是空的, 即长度为0MB, 在Alpha和AMD64系统上, 该内存的长度可能是从0到4GB
ZONE_NORMAL	标记了可直接映射到内存段的普通内存域. 这是在所有体系结构上保证会存在的唯一内存区域, 但无法保证该地址范围对应了实际的物理地址. 例如, 如果AMD64系统只有两2G内存, 那么所有的内存都属于ZONE_DMA32范围, 而ZONE_NORMAL则为空
ZONE_HIGHMEM	标记了超出内核虚拟地址空间的物理内存段, 因此这段地址不能被内核直接映射
ZONE_MOVABLE	内核定义了一个伪内存域ZONE_MOVABLE, 在防止物理内存碎片的机制memory migration中需要使用该内存域. 供防止物理内存碎片的极致使用
ZONE_DEVICE	为支持热插拔设备而分配的Non Volatile Memory非易失性内存
MAX_NR_ZONES	充当结束标记, 在内核中想要迭代系统中所有内存域, 会用到该常亮

根据编译时候的配置, 可能无需考虑某些内存域. 如在64位系统中, 并不需要高端内存, 因为AM64的linux采用4级页表，支持的最大物理内存为64TB, 对于虚拟地址空间的划分，将0x0000,0000,0000,0000 – 0x0000,7fff,ffff,f000这128T地址用于用户空间；而0xffff,8000,0000,0000以上的128T为系统空间地址, 这远大于当前我们系统中的内存空间, 因此所有的物理地址都可以直接映射到内核中, 不需要高端内存的特殊映射. 可以参见Documentation/x86/x86_64/mm.txt

ZONE_MOVABLE和ZONE_DEVICE其实是和其他的ZONE的用途有异,

• ZONE_MOVABLE在防止物理内存碎片的机制中需要使用该内存区域,
• ZONE_DEVICE笔者也第一次知道了，理解有错的话欢迎大家批评指正, 这个应该是为支持热插拔设备而分配的Non Volatile Memory非易失性内存,

关