Linux虛擬內存組織結構淺析(二)<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />
在前一篇文章中我們介紹了Linux虛擬內存在邏輯上的組織結構，現在就讓我們從源代碼入手，從程序級仔細看看各個數據結構體的內部組成如何，源代碼來自於最新的kernel2.6.26.5,分析過程中主要參考了《Understanding the linux virtual memory》這本書，有興趣的朋友可以去閱讀一下。
一、節點的數據表示
在內核中，節點由結構體pg_data_t來表示，它是由結構體pglist_data通過typedef來定義的，位於文件<linux/mmzone.h>，其內容如下：
typedef struct pglist_data {
struct zone node_zones[MAX_NR_ZONES];
struct zonelist node_zonelists[MAX_ZONELISTS];
int nr_zones;
#ifdef CONFIG_FLAT_NODE_MEM_MAP
struct page *node_mem_map;
#endif
struct bootmem_data *bdata;
#ifdef CONFIG_MEMORY_HOTPLUG
spinlock_t node_size_lock;
#endif
unsigned long node_start_pfn;
unsigned long node_present_pages; /* total number of physical pages */
unsigned long node_spanned_pages; /* total size of physical page
range, including holes */
int node_id;
wait_queue_head_t kswapd_wait;
struct task_struct *kswapd;
int kswapd_max_order;
} pg_data_t;
各字段含義如下：
node_zones：包含本節點內區的描述結構體，一般而言MAX_NR_ZONES爲3。
node_zonelists：這個數組指明瞭在分配內存時區的選擇順序。
nr_zones：指明本節點內區的個數，這一般都是1到3中的一個數字。並不是所有的節點都有3個區，比如有些節點就沒有ZONE_DMA區。
node_mem_map：指向全局內存描述數組中的某一項，該元素描述了本節點的第一頁物理內存。
bdata：指向bootmem_data結構體，該結構體用於系統啓動時的內存分配器分配、管理該節點的內存。該內存分配器在系統啓動完畢後不再使用。
node_size_lock：該自旋鎖用於保護node_start_pfn、node_present_pages以及node_spanned_pages，當你要取得這些變量的值時，必須首先獲取這個自旋鎖。當你調用pfn_valid()前也應當獲得這個自旋鎖。並且注意必須在zone->lock和zone->size_seqlock前獲取這個自旋鎖。
node_start_pfn：這個是該節點內第一頁物理內存在全局數組mem_map中的序號。
node_present_pages：當前該節點內可獲得的物理頁總數。
node_spanned_pages：節點內可訪問的所有物理頁數，包含可能存在的空洞頁。
node_id：當前節點的編號，從0開始。
kswapd_wait：kswapd線程的等待隊列。kswapd是一個內核線程，當系統中內存頁較少時它負責回收物理內存頁，這個線程常常處於睡眠狀態。
kswapd：指向kswapd線程的進程描述符。
kswapd_max_order：kswapd線程要釋放內存塊大小取對數後的值。
二、區的數據表示
每個區由結構體struct zone來描述，其中包含了頁使用統計、空閒頁數、瑣等信息，這個結構體在<linux/mmzone.h>中定義：
struct zone {
unsigned long pages_min, pages_low, pages_high;
unsigned long lowmem_reserve[MAX_NR_ZONES];
#ifdef CONFIG_NUMA
int node;
unsigned long min_unmapped_pages;
unsigned long min_slab_pages;
struct per_cpu_pageset *pageset[NR_CPUS];
#else
struct per_cpu_pageset pageset[NR_CPUS];
#endif
spinlock_t lock;
#ifdef CONFIG_MEMORY_HOTPLUG
seqlock_t span_seqlock;
#endif
struct free_area free_area[MAX_ORDER];
#ifndef CONFIG_SPARSEMEM
unsigned long *pageblock_flags;
#endif /* CONFIG_SPARSEMEM */
spinlock_t lru_lock;
struct list_head active_list;
struct list_head inactive_list;
unsigned long nr_scan_active;
unsigned long nr_scan_inactive;
unsigned long pages_scanned; /* since last reclaim */
unsigned long flags;
atomic_long_t vm_stat[NR_VM_ZONE_STAT_ITEMS];
int prev_priority;
wait_queue_head_t * wait_table;
unsigned long wait_table_hash_nr_entries;
unsigned long wait_table_bits;
struct pglist_data *zone_pgdat;
unsigned long zone_start_pfn;
unsigned long spanned_pages;
unsigned long present_pages;
const char *name;
} ____cacheline_internodealigned_in_smp;
各字段含義如下：
pages_min：管理區中保留的頁數，當區中空閒的頁框數達到這個值時kswapd線程會被喚醒並以同步的方式回收區中的頁框。
pages_low：回收頁框的下限，當區中空閒的頁框數達到這個值時，夥伴分配器會喚起kswapd線程開始回收頁框。
pages_high：回收頁框的上限，當kswapd線程被喚醒回收頁框時，它會一直回收頁框直到區中空閒的頁框數達到這個值爲止。
lowmem_reserve：指明在靠近內存低端的區內需要保留的頁框數，這個主要是爲了防止這樣一種情況：當內存低端的頁框全部被分配後，如果這時候有新的頁分配請求就可能會產生OOM，即使此刻在高端內存我們還有大量空閒的頁框。
node：指明這個區所屬的節點編號。
pageset：用於實現每cpu高速緩存的數組，每個cpu在該數組內佔有一項。由於內核經常請求和釋放單個頁框，因此每cpu高速緩存包含一些預先分配的頁框，它們用於滿足本地cpu發出的單一內存請求。
lock：保護該描述符的自旋鎖。
span_seqlock：保護zone_start_pfn、spanned_pages和present_pages的順序鎖，之所以使用順序鎖來保護這3個變量是因爲我們經常需要在沒有獲得zone->lock的情況下讀取它們的值，同時我們很少更改這些值。
free_area：標識出區中空閒頁框快，這個結構是夥伴分配器的主要數據結構，夥伴分配器就是根據該結構體來對區中內存進行分配、回收等操作的。
pageblock_flags：一個內存塊的標誌，該內存塊大小爲pageblock_nr_pages。
lru_lock：活動及非活動頁鏈表使用的自旋鎖，主要在頁框回收時使用。
active_list：區的活動頁鏈表。
inactive_list：區的非活動頁鏈表。
nr_scan_active：回收頁框要掃描的活動頁數目。
nr_scan_inactive：回收頁框要掃描的非活動頁數目。
pages_scanned：頁框回收時使用的計數器。
flags：區的標誌，目前有三個標誌可以設置：
ZONE_ALL_UNRECLAIMABLE——區中所有頁框被鎖定不能回收
ZONE_RECLAIM_LOCKED——不能併發回收區中頁框
ZONE_OOM_LOCKED——區處於OOM的區鏈表中
vm_stat：包含區的統計信息。
prev_priority：區掃描優先級，主要用於頁框回收過程中。
wait_table：進程等待隊列的hash表，表中的進程在等待區中的某一頁內存。
wait_table_hash_nr_entries：等待隊列hash表數組的大小。
wait_table_bits：等待隊列hash表大小，1<<wait_table_bits。
zone_pgdat：指向區所屬節點的指針。
zone_start_pfn：區中第一個頁框在mem_map數組中的編號。
spanned_pages：區中的頁框數，包含空洞。
present_pages：區中包含的頁框數，不包含空洞。
name：指向區的名稱，這個域很少使用。
三、頁的數據表示
這個結構體是描述物理內存的最小單位，它描述了每個物理頁框的屬性，定義於文件<linux/mm_types.h>：
struct page {
unsigned long flags;
atomic_t _count;
union {
atomic_t _mapcount;
struct {
u16 inuse;
u16 objects;
};
};
union {
struct {
unsigned long private;
struct address_space *mapping;
};
#if NR_CPUS >= CONFIG_SPLIT_PTLOCK_CPUS
spinlock_t ptl;
#endif
struct kmem_cache *slab;
struct page *first_page;
};
union {
pgoff_t index; /* Our offset within mapping. */
void *freelist; /* SLUB: freelist req. slab lock */
};
struct list_head lru;
#if defined(WANT_PAGE_VIRTUAL)
void *virtual;
#endif
#ifdef CONFIG_CGROUP_MEM_RES_CTLR
unsigned long page_cgroup;
#endif
};
各字段含義如下：
flags：一組原子型標誌，有些標誌可以異步更新，這個域功能繁多，有興趣的可以進一步看看源代碼。
_count：頁框的引用計數器。如果該字段爲-1，則相應頁框空閒，並可被分配給任一進程或內核本身；如果該字段大於或等於0，則說明該頁框被分配給了一個或多個進程，或用於存放一些內核數據結構。
_mapcount：本頁框對應的頁表項數目，本頁框若未被映射則爲-1。
inuse、objects：這2個標誌在SLUB分配器中使用。
private：可用於正在使用該頁的內核成分使用，如果頁是空閒的則該字段由夥伴系統使用。
mapping：當頁被插入頁高速緩存中時使用。
slab：指向slab的指針。
first_page：
index、freelist：作爲不同的含義被幾種內核成分使用。
lru：將頁鏈接到最近最少使用雙向鏈表中。
virtual：指向本頁框的內核虛擬地址。
page_cgroup：這個域只有在內存資源控制器起作用的情況下使用，用於統計處於內存資源控制器下的頁框。