bootmem allocator分析

Codebase: android 4.1

Kernel: 3.4.0

Chipset: msm8x25q

 

在系统启动时，内存的伙伴系统/slab算法还没有初始化之前，系统也需要来作内存管理，分配一些核心数据结构，bootmem分配器就实现了该功能，它用于在启动阶段早期分配内存。

Bootmem分配器使用位图来管理页，位图数量和系统的物理内存也数量是相同的。当页被使用时，就标记为1，否则为0表示空闲页。

由于该分配器管理机制比较简单，并没有考虑性能和通用性，所以在伙伴系统完成初始化之后，bootmem分配器就要交出管理权，然后销毁掉。

在UMA系统上，只有一个bootmemallocator，名字叫bootmem_node_data, 位于kernel/mm/bootmem.c中，它通过成为struct pglist_data的一个元素与变量contig_page_data联系起来。

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1. struct pglist_data __refdata contig_page_data = {  
2.     .bdata = &bootmem_node_data[0]  
3. };  
4. bootmem_data_t bootmem_node_data[MAX_NUMNODES] __initdata;  

Bootmem 初始化：

系统启动的时候有如下流程：

start_kernel -> setup_arch -> paging_init-> bootmem_init

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1. void __init bootmem_init(void)  
2. {  
3.     unsigned long min, max_low, max_high;  
4.   
5.     max_low = max_high = 0;  
6.     /*min: 物理内存起始地址pfn号  
7. max_low:  低端内存结束地址pfn号  
8. max_high: 高端内存结束地址pfn号  
9. */  
10.     find_limits(&min, &max_low, &max_high);  
11.     /*根据参数看是初始化Lowmem区域?*/  
12.     arm_bootmem_init(min, max_low);  
13.   
14.     /*  
15.      * Sparsemem tries to allocate bootmem in memory_present(),  
16.      * so must be done after the fixed reservations  
17.      */  
18.     arm_memory_present();  
19.   
20.     /*  
21.      * sparse_init() needs the bootmem allocator up and running.  
22.      */  
23.     sparse_init();  
24.     /*  
25.      * Now free the memory - free_area_init_node needs  
26.      * the sparse mem_map arrays initialized by sparse_init()  
27.      * for memmap_init_zone(), otherwise all PFNs are invalid.  
28.      */  
29.     arm_bootmem_free(min, max_low, max_high);  
30.   
31. /*保存lowmem和highmem对应的pfn numbers，  
32. 这并表示实际能操作的pfn number,因为start pfn不一定从0开始。*/  
33.     max_low_pfn = max_low - PHYS_PFN_OFFSET;  
34.     max_pfn = max_high - PHYS_PFN_OFFSET;  
35. }  

find_limits():

里面有些函数需要展开来分析下，先看find_limits：

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1. static void __init find_limits(unsigned long *min, unsigned long *max_low,  
2.                    unsigned long *max_high)  
3. {  
4.     struct meminfo *mi = &meminfo;  
5.     int i;  
6.     /*循环直到是highmem的bank才停止。*/  
7.     /* This assumes the meminfo array is properly sorted */  
8.     *min = bank_pfn_start(&mi->bank[0]);  
9.     for_each_bank (i, mi)  
10.         if (mi->bank[i].highmem)  
11.                 break;  
12.     /*获得lowmem和highmem结束地址的pfn.*/  
13.     *max_low = bank_pfn_end(&mi->bank[i - 1]);  
14.     *max_high = bank_pfn_end(&mi->bank[mi->nr_banks - 1]);  
15. }  

函数比较简单，不过要注意的是，这里获得的内存是内核当前拥有的memory，当然也包含了已经被reserved的区域。arm_bootmem_init()会重新划分。

arm_bootmem_init():

arm_bootmem_init()是核心的函数。

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1. static void __init arm_bootmem_init(unsigned long start_pfn,  
2.     unsigned long end_pfn)  
3. {  
4.     struct memblock_region *reg;  
5.     unsigned int boot_pages;  
6.     phys_addr_t bitmap;  
7.     pg_data_t *pgdat;  
8.   
9.     /*  
10.      * Allocate the bootmem bitmap page.  This must be in a region  
11.      * of memory which has already been mapped.  
12.      */  
13.     /*end_pfn – start_pfn为lowmem的pfn numbers。*/  
14.     boot_pages = bootmem_bootmap_pages(end_pfn - start_pfn);  
15.     /*根据pfn numbers来分配bitmap位图, 以L1 cache能操作的字节数作对齐，  
16. 是为了让L1 cache能操作? 最大能分配地址为end_pfn。*/  
17.     bitmap = memblock_alloc_base(boot_pages << PAGE_SHIFT, L1_CACHE_BYTES,  
18.                 __pfn_to_phys(end_pfn));  
19.   
20.     /*  
21.      * Initialise the bootmem allocator, handing the  
22.      * memory banks over to bootmem.  
23.      */  
24.     node_set_online(0);  
25.     pgdat = NODE_DATA(0);  
26.     /*初始化pgda也就是全局变量contig_page_data 中的bdata元素，也就是  
27. bootmem_node_data 变量。*/  
28.     init_bootmem_node(pgdat, __phys_to_pfn(bitmap), start_pfn, end_pfn);  
29.     /*在前面meminfo介绍中有说到，struct memblock中的memroy 元素表示  
30. 空闲内存区域，而reseved表示要保留的区域。所以这里会将reserved对应的  
31. Bitmap标为1，而free memory标志为0.*/  
32.     /* Free the lowmem regions from memblock into bootmem. */  
33.     for_each_memblock(memory, reg) {  
34.         unsigned long start = memblock_region_memory_base_pfn(reg);  
35.         unsigned long end = memblock_region_memory_end_pfn(reg);  
36.   
37.         if (end >= end_pfn)  
38.             end = end_pfn;  
39.         if (start >= end)  
40.             break;  
41.   
42.         free_bootmem(__pfn_to_phys(start), (end - start) << PAGE_SHIFT);  
43.     }  
44.   
45.     /* Reserve the lowmem memblock reserved regions in bootmem. */  
46.     for_each_memblock(reserved, reg) {  
47.         unsigned long start = memblock_region_reserved_base_pfn(reg);  
48.         unsigned long end = memblock_region_reserved_end_pfn(reg);  
49.   
50.         if (end >= end_pfn)  
51.             end = end_pfn;  
52.         if (start >= end)  
53.             break;  
54.   
55.         reserve_bootmem(__pfn_to_phys(start),  
56.                     (end - start) << PAGE_SHIFT, BOOTMEM_DEFAULT);  
57.     }  
58. }  

bootmem_bootmap_pages():

继续分解函数，先看bootmem_bootmap_pages().

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1. unsigned long __init bootmem_bootmap_pages(unsigned long pages)  
2. {  
3.     unsigned long bytes = bootmap_bytes(pages);  
4.     /*以4k作为一个单位分配*/  
5.     return PAGE_ALIGN(bytes) >> PAGE_SHIFT;  
6. }  
7. static unsigned long __init bootmap_bytes(unsigned long pages)  
8. {  
9.     /*每个page作为一个bit保留在unsigned long变量中。 */  
10.     unsigned long bytes = DIV_ROUND_UP(pages, 8);  
11.   
12. return ALIGN(bytes, sizeof(long));  
13. }  

memblock_alloc_base():

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1. phys_addr_t __init memblock_alloc_base(phys_addr_t size, phys_addr_t align, phys_addr_t max_addr)  
2. {  
3.     phys_addr_t alloc;  
4.     alloc = __memblock_alloc_base(size, align, max_addr);  
5.     if (alloc == 0)  
6.         panic("ERROR: Failed to allocate 0x%llx bytes below 0x%llx.\n",  
7.               (unsigned long long) size, (unsigned long long) max_addr);  
8.   
9.     return alloc;  
10. }  
11. phys_addr_t __init __memblock_alloc_base(phys_addr_t size, phys_addr_t align, phys_addr_t max_addr)  
12. {  
13.     return memblock_alloc_base_nid(size, align, max_addr, MAX_NUMNODES);  
14. }  
15. static phys_addr_t __init memblock_alloc_base_nid(phys_addr_t size,  
16.                     phys_addr_t align, phys_addr_t max_addr,  
17.                     int nid)  
18. {  
19.     phys_addr_t found;  
20.     size = round_up(size, align);  
21.     found = memblock_find_in_range_node(0, max_addr, size, align, nid);  
22.     if (found && !memblock_reserve(found, size))  
23.         return found;  
24.     return 0;  
25. }  
26. phys_addr_t __init_memblock memblock_find_in_range_node(phys_addr_t start,  
27.                     phys_addr_t end, phys_addr_t size,  
28.                     phys_addr_t align, int nid)  
29. {  
30.     phys_addr_t this_start, this_end, cand;  
31.     u64 i;  
32.     /* avoid allocating the first page */  
33.     /*保留第一页，用来干嘛？*/  
34.     start = max_t(phys_addr_t, start, PAGE_SIZE);  
35.     end = max(start, end);  
36.     /*从struct memblock的一块空闲区域的最高地址往下分配一块区域。*/  
37. for_each_free_mem_range_reverse(i, nid, &this_start, &this_end, NULL) {  
38.         /*this_start 和this_end 在start 和end中间的话直接返回，否则  
39. 返回end。*/  
40.         this_start = clamp(this_start, start, end);  
41.         this_end = clamp(this_end, start, end);  
42.         if (this_end < size)  
43.             continue;  
44.         /*得到分配内存地址，大小为size。*/  
45.         cand = round_down(this_end - size, align);  
46.         if (cand >= this_start)  
47.             return cand;  
48.     }  
49.     return 0;  
50. }  

init_bootmem_node():

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1. unsigned long __init init_bootmem_node(pg_data_t *pgdat, unsigned long freepfn,  
2.                 unsigned long startpfn, unsigned long endpfn)  
3. {  
4.     return init_bootmem_core(pgdat->bdata, freepfn, startpfn, endpfn);  
5. }  
6. static unsigned long __init init_bootmem_core(bootmem_data_t *bdata,  
7.     unsigned long mapstart, unsigned long start, unsigned long end)  
8. {  
9.     unsigned long mapsize;  
10.   
11.     mminit_validate_memmodel_limits(&start, &end);  
12.     /*得到bitmap表的首地址以及最小和最大pfn*/  
13.     bdata->node_bootmem_map = phys_to_virt(PFN_PHYS(mapstart));  
14.     bdata->node_min_pfn = start;  
15.     bdata->node_low_pfn = end;  
16.     /*加入到全局的bdata_list链表变量中，方便管理。*/  
17.     link_bootmem(bdata);  
18.   
19.     /*  
20.      * Initially all pages are reserved - setup_arch() has to  
21.      * register free RAM areas explicitly.  
22.      */  
23.     /*将bitmap表中每个bit都设置成已经使用了。下一步  
24. for_each_memblock()会重新设置。*/  
25.     mapsize = bootmap_bytes(end - start);  
26.     memset(bdata->node_bootmem_map, 0xff, mapsize);  
27.   
28.     bdebug("nid=%td start=%lx map=%lx end=%lx mapsize=%lx\n",  
29.         bdata - bootmem_node_data, start, mapstart, end, mapsize);  
30.   
31.     return mapsize;  
32. }  

free_bootmem()/reserve_bootmem():

这两个函数比较简单了，表示将bootmem的页分别标记成空闲和使用中。

 到此，bootmem allocator已经初始化完成。

Bootmem内存分配：

Bootmem的分配有多种接口，不过最终调用的都是__alloc_bootmem()，而__alloc_bootmem()调用了___alloc_bootmem_nopanic()。

路径： kernel/kernel/include/linux/bootmem.h

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1. /*按指定size从ZONE_NORMAL区域分配*/  
2. #define alloc_bootmem(x) \    
3.     __alloc_bootmem(x, SMP_CACHE_BYTES, BOOTMEM_LOW_LIMIT)  
4. /*按指定size从ZONE_NORMAL区域分配, 以align对齐*/  
5. #define alloc_bootmem_align(x, align) \  
6.     __alloc_bootmem(x, align, BOOTMEM_LOW_LIMIT)  
7. /*按指定size从ZONE_NORMAL区域分配, 以一页对齐*/  
8. #define alloc_bootmem_pages(x) \  
9.     __alloc_bootmem(x, PAGE_SIZE, BOOTMEM_LOW_LIMIT)  
10. /* SMP_CACHE_BYTES 是为了让数据能更好地在L1 cache中使用，虽然是SMP开头。*/  
11. #define alloc_bootmem_nopanic(x) \  
12.     __alloc_bootmem_nopanic(x, SMP_CACHE_BYTES, BOOTMEM_LOW_LIMIT)  
13. #define alloc_bootmem_node(pgdat, x) \  
14.     __alloc_bootmem_node(pgdat, x, SMP_CACHE_BYTES, BOOTMEM_LOW_LIMIT)  
15.   
16. /*以_node后缀结尾表示只在NUMA系统上使用。*/  
17. #define alloc_bootmem_node(pgdat, x) \  
18.     __alloc_bootmem_node(pgdat, x, SMP_CACHE_BYTES, BOOTMEM_LOW_LIMIT)  
19. #define alloc_bootmem_node_nopanic(pgdat, x) \  
20.     __alloc_bootmem_node_nopanic(pgdat, x, SMP_CACHE_BYTES, BOOTMEM_LOW_LIMIT)  
21. #define alloc_bootmem_pages_node(pgdat, x) \  
22.     __alloc_bootmem_node(pgdat, x, PAGE_SIZE, BOOTMEM_LOW_LIMIT)  
23. #define alloc_bootmem_pages_node_nopanic(pgdat, x) \  
24.     __alloc_bootmem_node_nopanic(pgdat, x, PAGE_SIZE, BOOTMEM_LOW_LIMIT)  
25.   
26. /*这几个和上面的区别是从ZONE_DMA区域分配。*/  
27. #define alloc_bootmem_low(x) \  
28.     __alloc_bootmem_low(x, SMP_CACHE_BYTES, 0)  
29. #define alloc_bootmem_low_pages(x) \  
30.     __alloc_bootmem_low(x, PAGE_SIZE, 0)  
31. #define alloc_bootmem_low_pages_node(pgdat, x) \  
32.     __alloc_bootmem_low_node(pgdat, x, PAGE_SIZE, 0)  

关于内存的分配，请允许我偷懒下，不对代码做详细分析了，有点费时间，流程如下：

__alloc_bootmem -> ___alloc_bootmem -> ___alloc_bootmem_nopanic -> alloc_bootmem_core -> find_next_zero_bit

大概的步骤就是：

1.      扫描bitmap位图，寻找空闲的位

2.      如果查找的页紧挨着上一次分配的页，就先检查这次要分配的内存是否能在上一页直接分配，因为bootmem allocator支持小于一页的分配。

3.      在新分配的页的bitmap对应的bit设置为1后，将当前的偏移保存，如果页没有完全分配，那么页里面的偏移量也保存。

Bootmem内存释放：

内核提供的释放bootmem接口是free_bootmem(unsignedlong addr, unsigned long size), 还有一个是用于NUMA的。

         这个接口没有分析，据资料记载说分配页可能会有风险。

Bootmem停用：

一旦伙伴系统初始化完成之后，bootmemallocator就要停止使用了，系统是通过函数free_all_bootmem()来停止的，有如下调用流程：

start_kernel -> mm_init -> mem_init -> free_all_bootmem -> free_all_bootmem_core -> __free_pages_bootmem -> __free_pages

         可以看到最终调用的是__free_pages()，这个函数会将这些Pages释放到伙伴系统中管理。

注意这里只是将空闲的页释放掉了。占据的页还存在。

         由于bootmem分配的页里面的数据基本上都是用于内存基本结构，在系统运行期间会一直被用到，所以不会被释放。不过像__init这种类型的数据段只在系统开机的时候被使用，所以系统初始化完成之后就可以释放掉了。

         系统使用的函数是free_initmem()， 调用流程如下：

start_kernel -> rest_init -> kernel_init -> init_post -> free_initmem 

[html] view plaincopy

1. void free_initmem(void)  
2. {  
3.     unsigned long reclaimed_initmem;  
4.   
5.     poison_init_mem(__init_begin, __init_end - __init_begin);  
6.     if (!machine_is_integrator() && !machine_is_cintegrator()) {  
7.         reclaimed_initmem = free_area(__phys_to_pfn(__pa(__init_begin)),  
8.                         __phys_to_pfn(__pa(__init_end)),  
9.                         "init");  
10.         totalram_pages += reclaimed_initmem;  
11.     }  
12. }  

可以看到，释放的数据就是保存在__init_begin和__init_end那一段之间！当然，最后也是调用__free_pages()释放到伙伴系统中管理的。

使用bootmem分配内存的时候需要注意下一定要处于bootmem 分配器初始化和销毁之间！