linux5.15之page分配

本文按照Linux内核深度解析为主线，做的一些总结和梳理

1.关于内存分分配标志

参考gfp.h

1.1一些掩码

/* Plain integer GFP bitmasks. Do not use this directly. */
#define ___GFP_DMA		0x01u
#define ___GFP_HIGHMEM		0x02u
#define ___GFP_DMA32		0x04u
#define ___GFP_MOVABLE		0x08u
#define ___GFP_RECLAIMABLE	0x10u
#define ___GFP_HIGH		0x20u
#define ___GFP_IO		0x40u
#define ___GFP_FS		0x80u
#define ___GFP_ZERO		0x100u
#define ___GFP_ATOMIC		0x200u
#define ___GFP_DIRECT_RECLAIM	0x400u
#define ___GFP_KSWAPD_RECLAIM	0x800u
#define ___GFP_WRITE		0x1000u
#define ___GFP_NOWARN		0x2000u
#define ___GFP_RETRY_MAYFAIL	0x4000u
#define ___GFP_NOFAIL		0x8000u
#define ___GFP_NORETRY		0x10000u
#define ___GFP_MEMALLOC		0x20000u
#define ___GFP_COMP		0x40000u
#define ___GFP_NOMEMALLOC	0x80000u
#define ___GFP_HARDWALL		0x100000u
#define ___GFP_THISNODE		0x200000u
#define ___GFP_ACCOUNT		0x400000u
#define ___GFP_ZEROTAGS		0x800000u
#define ___GFP_SKIP_KASAN_POISON	0x1000000u
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
#define ___GFP_NOLOCKDEP	0x2000000u
#else
#define ___GFP_NOLOCKDEP	0
#endif

1.2掩码分类

1. 内存分配区域标志（Zone Modifiers）

这些标志定义了内存分配的物理地址区域：

• __GFP_DMA: 分配内存时，只使用低 16MB 的内存区域，这个标志主要用于设备 DMA 需要低地址的情况。
• __GFP_DMA32: 分配内存时，只使用低 4GB 的内存，适用于需要 32 位地址设备的情况。
• __GFP_HIGHMEM: 分配高端内存（用于 32 位系统的扩展内存）。
• __GFP_MOVABLE: 可移动的页面，用于内存压缩和回收。

组合标志：

• GFP_ZONEMASK: 用于组合所有内存区域相关的标志。

2. 页面移动性和位置提示标志

这些标志控制页面是否可以在内存压缩或回收时移动：

• __GFP_RECLAIMABLE: 这些页面可以通过内核的回收机制回收。
• __GFP_WRITE: 申请者可能会对页面进行写操作。
• __GFP_HARDWALL: 强制执行内存分配的 cpuset 约束。
• __GFP_THISNODE: 强制在指定的 NUMA 节点上分配内存，禁止使用其他节点。
• __GFP_ACCOUNT: 分配的内存将被记账到 kmemcg（内核内存控制组）。

3. 水印修改标志

这些标志控制对系统应急保留内存的访问：

• __GFP_HIGH: 高优先级分配请求，用于系统的关键任务。
• __GFP_ATOMIC: 分配过程不能阻塞或睡眠，常用于中断处理程序。
• __GFP_MEMALLOC: 允许访问系统的所有内存，包括应急保留区。
• __GFP_NOMEMALLOC: 明确禁止访问应急保留区，即使设置了 __GFP_MEMALLOC。

4. 回收修改标志

这些标志控制内核如何处理内存回收：

• __GFP_IO: 分配内存时允许进行物理 I/O 操作。
• __GFP_FS: 允许调用底层文件系统来分配内存。
• __GFP_DIRECT_RECLAIM: 允许申请者进入直接内存回收状态。
• __GFP_KSWAPD_RECLAIM: 在达到低水位线时唤醒 kswapd 进行内存回收。
• __GFP_NORETRY: 避免执行耗时的回收操作，快速返回。
• __GFP_RETRY_MAYFAIL: 允许在内存压力下重试，但分配失败是可能的。
• __GFP_NOFAIL: 内存分配必须成功，禁止失败。

5. 操作修改标志

这些标志提供了与内存操作相关的特殊功能：

• __GFP_NOWARN: 抑制内存分配失败的警告信息。
• __GFP_COMP: 用于复合页面（多个物理页面的组合）。
• __GFP_ZERO: 返回一个已清零的页面。
• __GFP_ZEROTAGS: 返回已清零的内存标签。

6. 常用 GFP 标志组合

• GFP_ATOMIC: 不允许睡眠，必须分配成功，通常用于中断上下文。
• GFP_KERNEL: 用于内核内部的典型分配，允许进入回收状态。
• GFP_NOWAIT: 不允许分配过程中进入回收或 I/O。
• GFP_NOIO: 允许回收但不进行任何 I/O 操作。
• GFP_NOFS: 允许回收但不进行文件系统的调用。
• GFP_USER: 用于用户空间分配，通常是直接可访问的内存。

1.3 区域选择

共有16种可能性。

有个table，将可能被选的分配到16个区域。

通过page的flag（取低四位），将table右移动flag*区域长度，取低四位（区域长度），则可得到对应应该分配到哪个区域。

当然也有无效区域，因此需要VM_BUG_ON((GFP_ZONE_BAD >> bit) & 1);

/*
 * GFP_ZONE_TABLE is a word size bitstring that is used for looking up the
 * zone to use given the lowest 4 bits of gfp_t. Entries are GFP_ZONES_SHIFT
 * bits long and there are 16 of them to cover all possible combinations of
 * __GFP_DMA, __GFP_DMA32, __GFP_MOVABLE and __GFP_HIGHMEM.
 *
 * The zone fallback order is MOVABLE=>HIGHMEM=>NORMAL=>DMA32=>DMA.
 * But GFP_MOVABLE is not only a zone specifier but also an allocation
 * policy. Therefore __GFP_MOVABLE plus another zone selector is valid.
 * Only 1 bit of the lowest 3 bits (DMA,DMA32,HIGHMEM) can be set to "1".
 *
 *       bit       result
 *       =================
 *       0x0    => NORMAL
 *       0x1    => DMA or NORMAL
 *       0x2    => HIGHMEM or NORMAL
 *       0x3    => BAD (DMA+HIGHMEM)
 *       0x4    => DMA32 or NORMAL
 *       0x5    => BAD (DMA+DMA32)
 *       0x6    => BAD (HIGHMEM+DMA32)
 *       0x7    => BAD (HIGHMEM+DMA32+DMA)
 *       0x8    => NORMAL (MOVABLE+0)
 *       0x9    => DMA or NORMAL (MOVABLE+DMA)
 *       0xa    => MOVABLE (Movable is valid only if HIGHMEM is set too)
 *       0xb    => BAD (MOVABLE+HIGHMEM+DMA)
 *       0xc    => DMA32 or NORMAL (MOVABLE+DMA32)
 *       0xd    => BAD (MOVABLE+DMA32+DMA)
 *       0xe    => BAD (MOVABLE+DMA32+HIGHMEM)
 *       0xf    => BAD (MOVABLE+DMA32+HIGHMEM+DMA)
 *
 * GFP_ZONES_SHIFT must be <= 2 on 32 bit platforms.
 */

#if defined(CONFIG_ZONE_DEVICE) && (MAX_NR_ZONES-1) <= 4
/* ZONE_DEVICE is not a valid GFP zone specifier */
#define GFP_ZONES_SHIFT 2
#else
#define GFP_ZONES_SHIFT ZONES_SHIFT
#endif

#if 16 * GFP_ZONES_SHIFT > BITS_PER_LONG
#error GFP_ZONES_SHIFT too large to create GFP_ZONE_TABLE integer
#endif
/*将每个标志位映射到每一位，到时候找回需要右移动回去*/
#define GFP_ZONE_TABLE ( \
	(ZONE_NORMAL << 0 * GFP_ZONES_SHIFT)				       \
	| (OPT_ZONE_DMA << ___GFP_DMA * GFP_ZONES_SHIFT)		       \
	| (OPT_ZONE_HIGHMEM << ___GFP_HIGHMEM * GFP_ZONES_SHIFT)	       \
	| (OPT_ZONE_DMA32 << ___GFP_DMA32 * GFP_ZONES_SHIFT)		       \
	| (ZONE_NORMAL << ___GFP_MOVABLE * GFP_ZONES_SHIFT)		       \
	| (OPT_ZONE_DMA << (___GFP_MOVABLE | ___GFP_DMA) * GFP_ZONES_SHIFT)    \
	| (ZONE_MOVABLE << (___GFP_MOVABLE | ___GFP_HIGHMEM) * GFP_ZONES_SHIFT)\
	| (OPT_ZONE_DMA32 << (___GFP_MOVABLE | ___GFP_DMA32) * GFP_ZONES_SHIFT)\
)

/*
 * GFP_ZONE_BAD is a bitmap for all combinations of __GFP_DMA, __GFP_DMA32
 * __GFP_HIGHMEM and __GFP_MOVABLE that are not permitted. One flag per
 * entry starting with bit 0. Bit is set if the combination is not
 * allowed.
 */
#define GFP_ZONE_BAD ( \
	1 << (___GFP_DMA | ___GFP_HIGHMEM)				      \
	| 1 << (___GFP_DMA | ___GFP_DMA32)				      \
	| 1 << (___GFP_DMA32 | ___GFP_HIGHMEM)				      \
	| 1 << (___GFP_DMA | ___GFP_DMA32 | ___GFP_HIGHMEM)		      \
	| 1 << (___GFP_MOVABLE | ___GFP_HIGHMEM | ___GFP_DMA)		      \
	| 1 << (___GFP_MOVABLE | ___GFP_DMA32 | ___GFP_DMA)		      \
	| 1 << (___GFP_MOVABLE | ___GFP_DMA32 | ___GFP_HIGHMEM)		      \
	| 1 << (___GFP_MOVABLE | ___GFP_DMA32 | ___GFP_DMA | ___GFP_HIGHMEM)  \
)

static inline enum zone_type gfp_zone(gfp_t flags)
{
	enum zone_type z;
	int bit = (__force int) (flags & GFP_ZONEMASK);

	z = (GFP_ZONE_TABLE >> (bit * GFP_ZONES_SHIFT)) &
					 ((1 << GFP_ZONES_SHIFT) - 1);
	VM_BUG_ON((GFP_ZONE_BAD >> bit) & 1);
	return z;
}