Linux内存初始化

1.进程内存描述符struct mm_struct

一个进程的内存信息通过struct mm_struct描述和管理，我们称其为进程描述符
一个进程的虚拟地址空间主要由两个数据结来描述。
一个是最高层次的：mm_struct，一个是较高层次的：vm_area_structs。
最高层次的mm_struct结构描述了一个进程的整个虚拟地址空间。
较高层次的结构vm_area_truct描述了虚拟地址空间的一个区间（简称虚拟区）。
每个进程只有一个mm_struct结构，在每个进程的task_struct结构中，有一个指向该进程的结构。可以说，mm_struct结构是对整个用户空间的描述。

2.启动

Linux内核启动于init/main.c中的start_kernel函数，内存系统也启动于此。

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asmlinkage __visible void __init start_kernel(void) { char *command_line; char *after_dashes; ...... /* * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then * enable them */ boot_cpu_init(); page_address_init(); pr_notice("%s", linux_banner); setup_arch(&command_line); /* * Set up the the initial canary ASAP: */ boot_init_stack_canary(); mm_init_cpumask(&init_mm); setup_command_line(command_line); ...... build_all_zonelists(NULL, NULL); page_alloc_init(); ...... /* * These use large bootmem allocations and must precede * kmem_cache_init() */ setup_log_buf(0); pidhash_init(); vfs_caches_init_early(); sort_main_extable(); trap_init(); mm_init(); ...... }

setup_arch函数中会调用bootmem_init来初始化启动内存：
arch/arm64/kernel/setup.c

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void __init setup_arch(char **cmdline_p) { pr_info("Boot CPU: AArch64 Processor [%08x]n", read_cpuid_id()); sprintf(init_utsname()->machine, UTS_MACHINE); // 初始化内核线程的内存描述符 init_mm.start_code = (unsigned long) _text; init_mm.end_code = (unsigned long) _etext; init_mm.end_data = (unsigned long) _edata; init_mm.brk = (unsigned long) _end; ...... paging_init(); //初始化分页系统，主要是设置页表，初始化zone memory maps以及设置zero page。 acpi_table_upgrade(); /* Parse the ACPI tables for possible boot-time configuration */ acpi_boot_table_init(); if (acpi_disabled) unflatten_device_tree(); bootmem_init(); //bootmem初始化 ...... }

mm_init_cpumask(&init_mm)操作的参数init_mm是一个mm_struct结构。
init_mm是内核线程的mm_struct数据结构，或内核线程的映射，这是因为在这个映射中不包含任何用户空间的映射。
系统中所有的内核线程都共享同一个映射，那就是init_mm。特别的，内核线程init的mm_struct数据结构就是init_mm。而mm_struct结构中，则有个指针pgd指向它的首层页面目录。
系统中只有一个init_mm结构对象，他在mm/init-mm.c中申明。

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struct mm_struct init_mm = { .mm_rb = RB_ROOT, #ifdef CONFIG_SPECULATIVE_PAGE_FAULT .mm_rb_lock = __RW_LOCK_UNLOCKED(init_mm.mm_rb_lock), #endif .pgd = swapper_pg_dir, .mm_users = ATOMIC_INIT(2), .mm_count = ATOMIC_INIT(1), .mmap_sem = __RWSEM_INITIALIZER(init_mm.mmap_sem), .page_table_lock = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(init_mm.page_table_lock), .mmlist = LIST_HEAD_INIT(init_mm.mmlist), .user_ns = &init_user_ns, INIT_MM_CONTEXT(init_mm) };

函数mm_init_cpumask是围绕这个结构体对象执行的,它清理内核线程的内存描述符中cpu_vm_mask_var字段，将其置零。

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static inline void mm_init_cpumask(struct mm_struct *mm) { #ifdef CONFIG_CPUMASK_OFFSTACK mm->cpu_vm_mask_var = &mm->cpumask_allocation; #endif cpumask_clear(mm->cpu_vm_mask_var); }

下面通过build_all_zonelists 构建zonelist。
为什么需要zonelist？
之前bootmem_init初始化的时候，已经初始化了内存节点的zone成员，该成员是一个struct zone数组，存放该内存节点的zone信息。
对于uma系统来说，这已经够了，因为uma系统只有一个本地内存节点，所有zone的信息都存放在本地内存节点的zone成员中。
对于numa系统来说，除了本地内存节点，还可以存在一个或多个远端内存节点，本地内存节点的zone成员并不会存放远端内存节点的zone信息。所以，这里引入zonelist的概念，本地内存节点和远端内存节点的zone统一挂在zonelist链表上。
什么是pageset？
每一个cpu会维护一个boot_pageset成员，这是一个struct per_cpu_pageset结构体，用于描述每个cpu维护的page集合。该函数中只会对pageset做一些最简单的初始化
下面是build_all_zonelists的过程

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build_all_zonelists |----->set_zonelist_order(); | |----->current_zonelist_order = ZONELIST_ORDER_ZONE; | | 对于uma系统来说，仅存在一个内存节点，所以按zone来排序;对于numa系统来说，可以按node来排序，也可以按zone来排序 |----->build_all_zonelists_init(); | |----->__build_all_zonelists(NULL); | | |----->pg_data_t *pgdat = NODE_DATA(nid); | | |----->build_zonelists(pgdat); | | | |----->zonelist = &pgdat->node_zonelists[ZONELIST_FALLBACK]; | | | |----->j = build_zonelists_node(pgdat, zonelist, 0); | | | | 遍历该内存节点所有的zone，将所有的zone挂到该内存节点的node_zonelists上去 | | | | |----->zoneref_set_zone(zone, &zonelist->_zonerefs[nr_zones++]); | | | | |----->return nr_zones; | | | | | 传进来的nr_zones加上挂到node_zonelists上的zone之后，返回 | | | |----->zonelist->_zonerefs[j].zone = NULL; | | | |----->zonelist->_zonerefs[j].zone_idx = 0; | | | | 标记node_zonelists上zone的结束 | | | |----->zonelist->_zonerefs[j].zone = NULL; | | | |----->zonelist->_zonerefs[j].zone_idx = 0; | | |----->setup_pageset(&per_cpu(boot_pageset, cpu), 0); | | | 遍历每一个cpu，初始化其pageset | | | |----->pageset_init(p); | | | | |----->pcp->count = 0; | | | | | page数量初始化为0 | | | | |----->INIT_LIST_HEAD(&pcp->lists[migratetype]); | | | | | 每一种迁移类型对于一个链表，这里初始化所有迁移类型对应的链表 | | | |----->pageset_set_batch(p, batch); | | | | |----->pageset_update(&p->pcp, 6 * batch, max(1UL, 1 * batch)); | | | | | |----->pcp->batch = 1; | | | | | | chunk size初始化为1 | | | | | |----->pcp->high = high; | | | | | | page上限初始化为0 | | | | | |----->pcp->batch = batch; | | | | | | chunk size初始化为1

接下来page_alloc_init