setup_arch：bootmem_init : sparse_init

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于 2022-02-19 14:35:57 首次发布

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本文详细介绍了Linux内核的sparsevmemmap内存模型，这是一种用于非连续物理内存的高效管理方式。在sparsevmemmap中，使用虚拟内存映射优化了PFN到structpage的转换，减少了访存次数。文章涵盖了sparse_init函数的执行流程，包括如何初始化mem_section，分配structpage结构体，并创建页表映射到vmemmap。此外，还提及了memblock.memory的初始化以及节点和section之间的关系。

kernel: 5.10
arch: arm64

首先简单说明一下背景知识，启动阶段的内存模型一般有4种：FLATMEM，经典sparse和sparse vmemmap，以及zone devie

FLATMEM
这种模型适用于具有连续物理内存或大部分连续物理内存的非NUMA系统。在FLATMEM内存模型中，有一个全局mem_map数组映射整个物理内存。对于即使是空洞的物理内存，也需要分配struct page结构体，只不过不会被初始化，映射到具体的物理内存。因此使用的时候要通过pfn_valid来进行检测，可以看到这样实际是浪费了一些struct page的。
SPARSEMEM
SPARSEMEM是Linux中最通用的内存模型，也是唯一支持多种高级功能的内存模型。SPARSEMEM模型将物理内存表示为section的集合。一个section用struct mem_section表示，结构体成员section_mem_map指向struct page数组的指针。它还存储了一些有助于section管理的魔数。由体系结构定义的SECTION_SIZE_BITS和MAX_PHYSMEM_BITS来指定section大小和section的最大数量。MAX_PHYSMEM_BITS是体系结构支持的物理地址的实际宽度，而SECTION_SIZE_BITS是任意值，最大数目的section个数为：NR_MEM_SECTIONS = 2 ^ (MAX_PHYSMEM_BITS - SECTION_SIZE_BITS)
mem_section对象排列在一个名为mem_sections的二维数组中。
(1) 当CONFIG_SPARSEMEM_EXTREME被禁用时，mem_sections数组是静态定义的，有NR_MEM_SECTIONS行。
(2) 当CONFIG_SPARSEMEM_EXTREME启用时，mem_sections数组是动态分配的。每行包含相当于PAGE_SIZE大小的mem_section个数
架构设置代码应该调用sparse_init()来初始化内存sections和内存映射。
使用SPARSEMEM，有两种可能的方法将PFN转换为相应的结构页——经典sparse和sparse vmemmap，由CONFIG_SPARSEMEM_VMEMMAP的值决定。
(1) 经典稀疏编码在page->flags中对页面的section编号进行编码，并使用PFN的高位来访问映射该页帧的section。在一个section中，PFN是page数组的索引。会有多次访存行为，因此出现了稀疏vmemmap
(2) 稀疏vmemmap使用虚拟内存映射来优化pfn_to_page和page_to_pfn操作。有一个指向全局struct page数组的vmemmap指针。PFN是该数组的索引，且struct page距vmemmap的偏移量是该page的PFN。要使用vmemmap，必须保留一个虚拟地址范围，该范围将映射物理页面，并确保vmemmap指向该范围。架构应该实现vmemmap_populate()方法为struct page分配物理内存并为虚拟内存映射创建页表。如果一个架构对vmemmap映射没有任何特殊要求，它可以使用通用内存管理提供的默认vmemmap_populate_basepages()。
ZONE_DEVICE(TODO)
虚拟映射存储器映射允许将持久存储器设备的struct page对象存储在这些设备预先分配的存储器中。这个存储用结构vmem_altmap表示，它最终通过一长串函数调用传递给vmemmap_populate()。vmemmap_populate()实现可以使用vmem_altmap以及vmemmap_alloc_block_buf()来在持久性存储器设备上分配存储器映射。

此处我们主要是分析的稀疏vmemmap的内存模型
在这里插入图片描述

sparse_init是在bootmem_init中被调用，它初始化在线的每个mem_section，为这些mem_section创建struct page结构体，并为这些struct page结构体创建页表，映射到vmemmap虚拟映射区

/*
 * Allocate the accumulated non-linear sections, allocate a mem_map
 * for each and record the physical to section mapping.
 */
void __init sparse_init(void)
{
        unsigned long pnum_end, pnum_begin, map_count = 1;
        int nid_begin;

        memblocks_present();

        pnum_begin = first_present_section_nr();
        nid_begin = sparse_early_nid(__nr_to_section(pnum_begin));

        /* Setup pageblock_order for HUGETLB_PAGE_SIZE_VARIABLE */
        set_pageblock_order();

        for_each_present_section_nr(pnum_begin + 1, pnum_end) {
                int nid = sparse_early_nid(__nr_to_section(pnum_end));

                if (nid == nid_begin) {
                        map_count++;
                        continue;
                }
                /* Init node with sections in range [pnum_begin, pnum_end) */
                sparse_init_nid(nid_begin, pnum_begin, pnum_end, map_count);
                nid_begin = nid;
                pnum_begin = pnum_end;
                map_count = 1;
        }
        /* cover the last node */
        sparse_init_nid(nid_begin, pnum_begin, pnum_end, map_count);
        vmemmap_populate_print_last();
}

memblocks_present： memblocks_present实际就是遍历memblock.memory下的所有memblock_region区域，将每个memblock_region区域按section划分，创建对应的mem_section结构体，且通过mem_section的section_mem_map标记为在线状态。关于memblock.memory的初始化可以参考early_init_dt_scan_memory和 struct memblock

一般一个node对应一个memblock_region？

first_present_section_nr：一个node由多个root组成，一个root由多个mem_section组成，此处获取首个root的首个mem_section编号
sparse_early_nid(__nr_to_section(pnum_begin))：根据mem_section编号获取早期设置的nid
在早期阶段mem_section->section_mem_map的布局如下：
bit0:present, bit1:has memmap; bit2:online; bit3:eary; bit4-:node id
set_pageblock_order:如果没有定义CONFIG_HUGETLB_PAGE_SIZE_VARIABLE则为空
for_each_present_section_nr：

#define for_each_present_section_nr(start, section_nr)          \
        for (section_nr = next_present_section_nr(start-1);     \
             ((section_nr != -1) &&                             \
              (section_nr <= __highest_present_section_nr));    \
             section_nr = next_present_section_nr(section_nr))

从section num为start的section开始，对每个present的section进行遍历

sparse_init_nid
（1）sparse_early_usemaps_alloc_pgdat_section分配mem_section_usage结构体空间?
（2）sparse_buffer_init：为一个node在线的所有section分配struct page空间
（3）for_each_present_section_nr：遍历node下所有在线的mem_section执行__populate_section_memmap和sparse_init_one_section
（3）__populate_section_memmap：为mem_sectoin对应的struct page本身创建页表
（4）sparse_init_one_section：初始化mem_section，其中sparse_encode_mem_map返回mem_section的首个page的虚拟地址

static void __meminit sparse_init_one_section(struct mem_section *ms,
                unsigned long pnum, struct page *mem_map,
                struct mem_section_usage *usage, unsigned long flags)
{
        ms->section_mem_map &= ~SECTION_MAP_MASK;
        ms->section_mem_map |= sparse_encode_mem_map(mem_map, pnum)
                | SECTION_HAS_MEM_MAP | flags;
        ms->usage = usage;
}