判断某个页框pfn是否有效（section和root）

前言

在一些系统中，物理地址空间存在许多的空洞——无效区域
内核需要管理有效区域，只为或尽量只为有效区域中的页框建立page结构，避免物理内存的浪费

如何管理有效区域？

• 以页框为粒度？如位向量、…………
  空间复杂度同页框（无效+有效）个数线性相关，扩展性差
• 以若干长度不等的有效或空洞区域为粒度？如线段树、…………
  时间复杂度差，和有效区域个数成log关系

Linux内核以section为粒度

时间和空间的折中，并牺牲了一定的准确性,理论上

Linux内核将物理地址空间划分成若干个section

• 每个section大小一样，拥有PAGES_PER_SECTION（0x8000）个页框，即128MB
• 物理地址划分：
  
  • bit0—bit11：页内字节偏移量
  • bit12—bit26：section内的页框偏移量
  • bit12—bit45：页框号
  • bit27—bit45：section号
  • 共计NR_MEM_SECTIONS（0x80000）个section
• 内核使用mem_section描述一个section

struct mem_section {    unsigned long section_mem_map;    //当前section内，所有页框对应的page结构数组的起始线性地址    unsigned long *pageblock_flags;    //指向一段空间，存放了当前section内所有页框的迁移等属性};

section_mem_map包括两个部分
- 当前section内，所有页框对应的page结构数组的起始线性地址
- 标志位：

• SECTION_MARKED_PRESENT：bit0
• SECTION_HAS_MEM_MAP：bit1

每个section，都有一个mem_section结构,内核如何组织这些结构？同page结构一样，由于空洞的存在，一些section或者连续的section是无效的，不必创建。

root

每SECTIONS_PER_ROOT（0x80）个section，组织成一个root
一个root包含0x400000个页框，共16GB

物理地址划分:
- bit27—bit33：root内section的偏移量
- bit34—bit45：root号
- 共计NR_MEM_SECTIONS（0x80000）个section
- 共计NR_SECTION_ROOTS（0x1000）个root

内核没有提供专门的元数据类型描述root
root就是mem_section结构数组
所有root的地址，都放在mem_section指针数组中
struct mem_section *mem_section[NR_SECTION_ROOTS]//全局实例

root/section的构建过程

• 创建root空间
• 并设置内存region对应的mem_section的section_mem_map字段的bit0（ SECTION_MARKED_PRESENT ）
• 为设置了SECTION_MARKED_PRESENT位的mem_section，以node为单位：
  统计需要的page结构体总数，分配page结构体数组
  统计需要的pageblock_flags指向空间的总大小，并分配
  设置section_mem_map、pageblock_flags，并设置SECTION_HAS_MEM_MAP位

不同section的page结构、 pageblock_flags指向的空间，在同一个node内，在物理地址上是连续的。

一个node内，所有页框的page结构在物理上是连续的。这也是符合NUMA访问优化要求的。不要出现在node a上的page结构，描述的是node b上的页框

在基本的SPARSEMEM模型中，每个node都有一个mem_map数组

如何在若干个mem_map数组间，完成page结构与pfn转换？
pfn-to-page：section_mem_map的作用
page-to-pfn：page结构的flags中存储section编号

section的管理方式在理论上损失了一定正确性

一个section内，哪怕只有一个页框有效，这个section也会建立，所有page结构也会建立

SPARSEMEM_VMEMMAP

针对64位环境，线性地址空间巨大
所有的mem_map（page结构数组）被映射到连续的线性地址空间vmemmap

SPARSEMEM_EXTREME

在基本的SPARSEMEM中，root表
struct mem_section mem_section[NR_SECTION_ROOTS][SECTIONS_PER_ROOT];
空间占用量巨大

总结

1. 通过section和root的引用，我们减少了对空洞内存page结构的创建，节省了物理内存。同时能快速知道某个page是否是有效内存。
2. 一个section内，没有一个页框有效，这个section则不会建立，当然它在线性地址空间vmemmap的线性区间仍然保留，只是不为这段线性区间分配对应的物理内存罢了（因为不需要存放page结构）。这个道理同样也适合没有一个section有效的root。