说明
- memblock是Linux内核启动早期用于管理物理内存的机制，在伙伴系统（Buddy System）接管内存管理之前为系统提供物理内存分配、释放等功能。
- 相对于伙伴系统，memblock功能和实现较为简单。
- 本文基于：linux_5.10 arm64平台。
历史
- 启动早期的内存管理器实现有bootmem和memblock，bootmem是早期内核采用，4.x以后内核内核采用memblock，配置了NO_BOOTMEM宏。
- memblock取代了bootmem算法。
实现原理
获取物理内存布局
- 不同于伙伴系统以内存页为操作对象,memblock以物理内存段为操作对象，系统从dtb或者uboot传递来的mem信息中解析出总的物理内存信息（核心信息是地址范围），此时的物理内存是一段段的地址空间，再初始化memblock。
fdt方式
* 单段物理内存
memory {device_type = "memory";reg = <0x0 0x80000000 0x0 0x10000000>;
};
* 多段物理内存
memory@0 {device_type = "memory";reg = <0x00000000 0x00000000 0x00000000 0x05e00000>,<0x00000000 0x05f00000 0x00000000 0x00001000>,<0x00000000 0x05f02000 0x00000000 0x00efd000>,<0x00000000 0x06e00000 0x00000000 0x0060f000>,<0x00000000 0x07410000 0x00000000 0x1aaf0000>,<0x00000000 0x22000000 0x00000000 0x1c000000>;
};
uboot bootargs方式
- uboot启动linux时，可以通过linux的启动参数bootargs，传递物理内存信息（基址和size），初始化memblock。
- 格式如下：
mem=size@start
* 函数调用栈
early_mem //file: arch/arm64/mm/init.c，解析出物理内存信息，保存在全局变量中
arm64_memblock_init //file: arch/arm64/mm/init.c
-> memblock_add
* 核心代码
void __init arm64_memblock_init(void)
{...if (memory_limit != PHYS_ADDR_MAX) { //全局变量非默认值memblock_mem_limit_remove_map(memory_limit); memblock_add(__pa_symbol(_text), (u64)(_end - _text));}...
}
可用段查找原理
- memblock内存分配时可用段查找采用first match算法，即占用首先找到的可以段。
- 内存分配查找的方向可以是从高到低，也可以是从低到高，通过总context中的成员变量bottom_up决定。
两个阶段
- memblock init之前；主要是静态分配，根据dts配置中预留内存定义（reserved memory），内核本身（code等），dtb等，在物理内存上分配出所需的预留内存。
- memblock init之后，伙伴系统初始化完之前；主要是Linux内核机制产生的动态内存分配。
- 两个阶段以以memblock configuration为分隔。
分配结果
- memblock分配结果都是预留内存，分配结束后固定占用，无法释放和复用。
代码逻辑
include/linux/memblock.h
mm/memblock.c
数据结构和实例
- memblock从大到小定义了三个数据结构，如下：
- 总context定义
struct memblock {bool bottom_up; //内存分配的方向：从高到低（FALSE）、从低到高（TRUE）phys_addr_t current_limit; //最大内存地址struct memblock_type memory; //可管理的内存段struct memblock_type reserved; //预留内存
};
- 内存类型定义
struct memblock_type {unsigned long cnt; //内存区域个数（占用数组个数）unsigned long max; //最大区域个数（数组总个数）phys_addr_t total_size; //该内存类型总大小struct memblock_region *regions; //包含的内存区域数组char *name;
};
- 内存区域（地址段）定义
struct memblock_region {phys_addr_t base; //基址phys_addr_t size; //空间大小enum memblock_flags flags; //flag
#ifdef CONFIG_NUMAint nid; //物理内存 node id，NUMA可以存在多个物理内存节点（node）
#endif
};enum memblock_flags {MEMBLOCK_NONE = 0x0, /* No special request */ //正常MEMBLOCK_HOTPLUG = 0x1, /* hotpluggable region */ //可插拔区域MEMBLOCK_MIRROR = 0x2, /* mirrored region */MEMBLOCK_NOMAP = 0x4, /* don't add to kernel direct mapping */ //no map区域
};
- 总context实例,以全局静态变量（保存在BSS段中）形式定义，区域都是预先定义的全局静态数组，数组个数默认128（INIT_MEMBLOCK_REGIONS）。
static struct memblock_region memblock_memory_init_regions[INIT_MEMBLOCK_REGIONS] __initdata_memblock;
static struct memblock_region memblock_reserved_init_regions[INIT_MEMBLOCK_RESERVED_REGIONS] __initdata_memblock;
#ifdef CONFIG_HAVE_MEMBLOCK_PHYS_MAP
static struct memblock_region memblock_physmem_init_regions[INIT_PHYSMEM_REGIONS];
#endifstruct memblock memblock __initdata_memblock = {.memory.regions = memblock_memory_init_regions,.memory.cnt = 1, /* empty dummy entry */.memory.max = INIT_MEMBLOCK_REGIONS,.memory.name = "memory",.reserved.regions = memblock_reserved_init_regions,.reserved.cnt = 1, /* empty dummy entry */.reserved.max = INIT_MEMBLOCK_RESERVED_REGIONS,.reserved.name = "reserved",.bottom_up = false,.current_limit = MEMBLOCK_ALLOC_ANYWHERE,
};
API
- memblock_add
- 将内存区域加入memblock可管理的内存区域，即memory的region队列。
- memblock_free
- 将一个物理内存段从预留内存中移除，该内存段重新标记为可用。
int memblock_free(phys_addr_t base, phys_addr_t size)
{memblock_dbg(" memblock_free: [%#016llx-%#016llx] %pF\n",(unsigned long long)base,(unsigned long long)base + size - 1,(void *)_RET_IP_);kmemleak_free_part_phys(base, size);return memblock_remove_range(&memblock.reserved, base, size);
}
- …
调试
- 获取memblock的详细分配log，可以通过在uboot bootargs中加入“memblock=debug”，内核启动后，通过dmesg或者/proc/kmsg查看调试信息。
- linux kernel启动后可以通过debug fs查看内存地址范围和reserved区域，如下：
/sys/kernel/debug/memblock/memory #交由系统管理的内存
/sys/kernel/debug/memblock/reserved #预留的内存
* 需要开启配置
CONFIG_DEBUG_FS
CONFIG_ARCH_KEEP_MEMBLOCK //是否保留memblock分配信息
- 该功能不是很有必要并且会占用一定硬件资源，方法1足以满足调试需求，新版本内核CONFIG_ARCH_KEEP_MEMBLOCK配置默认是关闭的。
交接
- buddy分配器初始化ok后，memblock分配器将内存管理工作交接给buddy（伙伴）分配器。
标志
- memblock和伙伴系统的交接标志：释放init进程内存（free_initmem函数处理），之后系统可用内存（/proc/meminfo中的MemTotal）就固定了。
分配实例分析
