Linux内核中内存管理相关的数据结构

本文简要说明几个内核和内存管理有关的结构体。其中 struct page 和 struct zone有较大幅度的删减，主要删减了和NUMA模型SPARSE模型以及内存热插拔相关的域。

页框描述符 struct page

page用于描述一个4KB的物理页。MMU以页为单位管理页表。

struct page {
	unsigned long flags;
	atomic_t _count;		
	atomic_t _mapcount;	
	unsigned long private;		
	struct address_space *mapping;	
	struct list_head lru;
	void *virtual;			
};

(1) flag 单独的每一位用来表示一种状态，所以在32位的CPU上flag至少能表示32状态，而在64位的CPU上则至少能表示64种状态。但是，实际上，page的flag被分成高低两个部分，以32位CPU为例 :

					| FIELD |  ...  | FLAGS |
					N-1             ^      0
					               (NR_PAGEFLAGS)

(2) _count用来表示该页框被引用的次数，一个物理页可以同时被多个虚拟页面映射。内核通过 page_count() 来获取页的引用计数。
(3) _mapcount 引用该页框的页表项(PTE)个数，当使用fork()时，do_fork()调用的copy_mm()会使得该值加一。
(4) private 是一个指向私有数据的指针，虚拟内存管理并不会使用该数据，而是根据页的用途，各个模块以不同的方式使用它。比如在页作为页缓冲时它是缓冲区的头指针。如果页是空闲的，则该字段由伙伴系统使用。
(5) lru 构成了一个最近最少被使用的页的链表，处于该链表中的页即将被page out。

内存区域描述符 struct zone

struct zone {
  unsigned long watermark[NR_WMARK];
  struct per_cpu_pageset __percpu *pageset;
	spinlock_t		lock;
    int    all_unreclaimable; /* All pages pinned */
  struct free_area	free_area[MAX_ORDER];
  spinlock_t		lru_lock;	
  struct zone_lru {
		struct list_head list;
  } lru[NR_LRU_LISTS];
  struct zone_reclaim_stat reclaim_stat;
  unsigned long		pages_scanned;	  
  unsigned long		flags;		   
  atomic_long_t		vm_stat[NR_VM_ZONE_STAT_ITEMS];
	int prev_priority;
	unsigned int inactive_ratio;
	struct pglist_data	*zone_pgdat;
	unsigned long		zone_start_pfn;
	unsigned long		spanned_pages;	
	unsigned long		present_pages;	
} ____cacheline_internodealigned_in_smp;

(1) watermark
系统的空闲内存有三种状态：
WMARK_MIN,
WMARK_LOW,
WMARK_HIGH,

当系统中空闲内存低于watermark[low]时，开始启用内核守护线程kswapd进行内存页面回收(每个zone中都会有一个kswapd)，直到该zone的空闲内存页数量达到watermark[high]之后才停止回收行为。如果上层申请内存的速度太快，导致空闲内存降至watermark[min]以下，内核就会进行direct reclaim(直接回收),也就是说直接在应用程序的上下文中进行页面回收，再用回收来的内存满足内存申请。所以，当有这样的情况发生时就会阻塞应用程序的执行，会带来一定的响应延迟，甚至可能会触发OOM(Out Of Memory,内存溢出)。因为watermark[min]以下的内存空间是留给系统特殊使用的，所以不会给用户态程序用。

(2) lock 保护该描述符的锁
(3) free_area 指向该zone中的空闲页块

struct zonelist

zonelist是一个zone的链表。一次分配的请求是在zonelist上执行的。开始在链表的第一个zone上分配，如果失败，则根据优先级降序访问其他zone。
zlcache_ptr 指向zonelist的缓存。为了加速对zonelist的读取操作 ,用_zonerefs 保存zonelist中每个zone的index。

struct zonelist {
	struct zonelist_cache *zlcache_ptr;		     // NULL or &zlcache
	struct zoneref _zonerefs[MAX_ZONES_PER_ZONELIST + 1];
};

struct per_cpu_pages

由于页框频繁的分配和释放，内核在每个zone中放置了一些事先保留的页框。这些页框只能由来自本地CPU的请求使用。

struct per_cpu_pages {
	int count;		/* number of pages in the list */
	int high;		/* high watermark, emptying needed */
	int batch;		/* chunk size for buddy add/remove */
	/* Lists of pages, one per migrate type stored on the pcp-lists */
	struct list_head lists[MIGRATE_PCPTYPES];
};

(1) count：表示高速缓存中的页框数量。
(2) high ：缓存中页框数量的最大值
(3) batch ：buddy allocator增加或删除的页框数
(4) lists：页框链表。

reference
http://blog.chinaunix.net/uid-27177626-id-4197018.html
http://lib.csdn.net/article/linux/40867