Разработка ядра Linux - Роберт Лав

В связи с этими ограничениями, в операционной системе Linux выделяют три зоны памяти.

• ZONE_DMA. Содержит страницы, которые совместимы с режимом DMA.

• ZONE_NORMAL. Содержит страницы памяти, которые отображаются в адресные пространства обычным образом.

• ZONE_HIGHMEM. Содержит "верхнюю память", состоящую из страниц, которые не могут постоянно отображаться в адресное пространство ядра.

Эти зоны определяются в заголовочном файле <linux/mmzone.h>.

То, как используется разделение памяти на зоны, зависит от аппаратной платформы. Например, для некоторых аппаратных платформ нет проблем с прямым доступом к памяти ни по какому адресу. Для таких платформ зона ZONE_DMA является пустой, и для всех типов выделения памяти используется зона ZONE_NORMAL.

Как противоположный пример можно привести платформу x86, для которой устройства ISA[61] не могут выполнять операции DMA в полном 32-разрядном пространстве адресов, так как устройства ISA могут обращаться только к первым 16 Мбайт физической памяти. Следовательно, зона ZONE_DMA для платформы x86 содержит только страницы памяти с физическими адресами в диапазоне 0-16 Мбайт.

Аналогично используется и зона ZONE_HIGHMEM. To, что аппаратная платформа может отображать и чего она не может отображать в адресное пространство ядра, отличается для разных аппаратных платформ. Для платформы x86 зона ZONE_HIGHMEM — это вся память, адреса которой лежат выше отметки 896 Мбайт. Для других аппаратных платформ зона ZONE_HIGHMEM пуста, так как вся память может непосредственно отображаться. Память, которая содержится в зоне ZONE_HIGHMEM, называется верхней памятью[62] (high memory). Вся остальная память в системе называется нижней памятью (low memory).

Зона ZONE_NORMAL обычно содержит все, что не попало в две предыдущие зоны памяти. Для аппаратной платформы x86, например, зона ZONE_NORMAL содержит всю физическую память от 16 до 896 Мбайт. Для других, более удачных аппаратных платформ, ZONE_NORMAL — это вся доступная память. В табл. 11.1 приведен список зон для аппаратной платформы x86.

Таблица 11.1. Зоны памяти для аппаратной платформы x86

Зона Описание Физическая память ZONE_DMA Страницы памяти, совместимые с ПДП < 16 Мбайт ZONE_NORMAL Нормально адресуемые страницы 16 - 896 Мбайт ZONE_HIGHMEM Динамически отображаемые страницы > 896 Мбайт

Операционная система разделяет страницы системной памяти на зоны, чтобы иметь пулы страниц для удовлетворения требований выделения памяти. Например, пул зоны ZONE_DMA дает возможность ядру удовлетворить запрос на выделение памяти, которая необходима для операций DMA. Если нужна такая память, ядро может просто выделить необходимое количество страниц из зоны ZONE_DMA. Следует обратить внимание, что зоны не связаны с аппаратным обеспечением— это логическое группирование, которое позволяет ядру вести учет страниц; памяти.

Хотя некоторые запросы на выделение памяти могут требовать страницы из определенной зоны, это требование не обязательно может быть жестким. Например, выделение памяти для ПДП требует страницы из зоны ZONE_DMA, а для обычного выделения памяти могут подойти страницы как из зоны ZONE_NORMAL так и из зоны ZONE_DMA. Конечно, для удовлетворения запросов по обычному выделению памяти ядро будет стараться выделять страницы из зоны ZONE_NORMAL, чтобы сохранить страницы в зоне ZONE_DMA для случая, когда эти страницы действительно нужны, Если же наступает решающий момент (становится недостаточно памяти), то ядро может обратиться к любой доступной и подходящей зоне.

Каждая зона представлена с помощью структуры struct zone, которая определена в файле <linux/mmzone.h> в следующем виде.

struct zone {

 spinlock_t             lock;

 unsigned long          free_pages;

 unsigned long          pages_min;

 unsigned long          pages_low;

 unsigned long          pages_high;

 unsigned long          protection[MAX_NR_ZONES];

 spinlock_t             lru_lock;

 struct list_head       active_list;

 struct list_head       inactive_list;

 unsigned long          nr_scan_active;

 unsigned long          nr_scan_inactive;

 unsigned long          nr_active;

 unsigned long          nr_inactive;

 int                    all_unreclaimable;

 unsigned long          pages_scanned;

 int                    temp_priority;

 int                    prev_priority;

 struct free_area       free_area[MAX_ORDER];

 wait_queue_head_t      *wait_table;

 unsigned long          wait_table_size;

 unsigned long          wait_table_bits;

 struct per_cpu_pageset pageset[NR_CPUS];

 struct pglist_data     *zone_pgdat;

 struct page            *zone_mem_map;

 unsigned long          zone_start_pfn;

 char                   *name;

 unsigned long          spanned_pages;

 unsigned long          present_pages;

};

Эта структура большая, но в системе всего три зоны и соответственно три такие структуры. Рассмотрим наиболее важные поля данной структуры.

Поле lock— это спин-блокировка, которая защищает структуру от параллельного доступа. Обратите внимание, что она защищает только структуру, а не страницы, которые принадлежат зоне. Для защиты отдельных страниц нет блокировок, хотя отдельные части кода могут блокировать данные, которые могут оказаться в указанных страницах.

Поле free_pages — это количество свободных страниц в соответствующей зоне. Ядро старается поддерживать свободными хотя бы pages_min страниц зоны, если это возможно (например, с помощью вытеснения на диск).

Поле name — это строка, оканчивающаяся нулем, которая содержит имя соответствующей зоны (что не удивительно). Ядро инициализирует указанное поле при загрузке системы с помощью кода, который описан n файле mm/page_alloc.с. Три зоны имеют имена "DMA", "Normal" и "HighMem".

Получение страниц памяти

Теперь, имея некоторое понятие о том, как ядро управляет памятью с помощью страниц, зон и так далее, давайте рассмотрим интерфейсы, которые реализованы в ядре для того, чтобы выделять и освобождать память внутри ядра. Ядро предоставляет один низкоуровневый интерфейс для выделения памяти и несколько интерфейсов для доступа к ней. Все эти интерфейсы выделяют память в объеме, кратном размеру страницы, и определены в файле <linux/gfp.h>. Основная функция выделения памяти следующая.

struct page * alloc_pages(unsigned int gfp_mask, unsigned int order);

Данная функция позволяет выделить 2order (т.е. 1 << order) смежных страниц (один непрерывный участок) физической памяти и возвращает указатель на структуру page, которая соответствует первой выделенной странице памяти. В случае ошибки возвращается значение NULL. Параметр gfp_mask будет рассмотрен несколько позже. Полученную страницу памяти можно конвертировать в ее логический адрес с помощью следующей функции.

void *page_address(struct page *page);

Эта функция возвращает указатель на логический адрес, которому в данный момент соответствует начало указанной страницы физической памяти. Если нет необходимости в соответствующей структуре struct page, то можно использовать следующую функцию.

unsigned long __get_free_pages(unsigned int gfp_mask,

 unsigned int order);

Эта функция работает так же, как и функция alloc_pages(), за исключением того, что она сразу возвращает логический адрес первой выделенной страницы памяти. Так как выделяются смежные страницы памяти, то другие страницы просто следуют за первой.

Если необходима всего одна страница памяти, то для этой цели определены следующие функции-оболочки, которые позволяют уменьшить количество работы по набору кода программы.

struct page * alloc_page(unsigned int gfp_mask);

unsigned long __get_free_page(unsigned int gfp_mask);

Эти функции работают так же, как и ранее описанные, по для них в качестве параметра order передается нуль (20 = одна страница памяти).

Получение страниц заполненных нулями

Для того чтобы получаемые страницы памяти были заполнены нулями, необходимо использовать следующую функцию.

unsigned long get_zeroed_page(unsigned int gfp_mask);

Эта функция аналогична функции __get_free_page(), за исключением того, что после выделения страницы памяти она заполняется нулями. Это полезно для страниц памяти, которые возвращаются в пространство пользователя, так как случайный "мусор", который находится в страницах памяти, может оказаться не совсем случайным и случайно может содержать некоторые (например, секретные) данные. Все данные необходимо обнулить или очистить каким-либо другим образом перед тем, как возвращать информацию в пространство пользователя, чтобы при этом не пострадала безопасность системы. В табл. 11.2 приведен список всех низкоуровневых средств выделения памяти.