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  • 内存初始化
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    2022-04-13 16:42:29

    写在前面

    在linux启动的那一刻,内存管理就已经开始了。在内核中,实现物理内存管理的allocator包括:

    • 初始化阶段物理内存管理memblock

    • 连续物理内存管理buddy

    • 非连续物理内存管理vmalloc allocator

    • 小块物理内存管理slab allocator

    在系统初始化阶段会先启用一个bootmem分配器和memblock分配器,bootmem分配器管理着一个node结点的所有内存,包括numa架构中多个node有多个bootmem,它们被链入bdata_list链表中保存。而伙伴系统的初始化就是将bootmem管理的所有物理页框释放到伙伴系统中去。

    接下来我们来简单梳理下,内存分配器的初始化流程(红色部分);

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  • 写在前面 一、物理内存数据结构 二、物理内存初始化流程

    写在前面

    该篇博客大致梳理了从引导阶段的memblock.memory到预留内存和动态内存的分配,再到分页机制的建立,以及内存节点有效section的初始化和mem_section下每个有效页框的映射关系,最后seciton下页框属性的初始化。

    kernel启动阶段的物理内存初始化流程如下:

    1. 获取线性地址大小,记录物理内存的起始地址,以及通过memblock分配器来初始化系统预留内存。
    2. 初始化系统分页机制;
    3. 初始化内存基本数据结构包括内存节点,内存域;
    4. 初始化zonelist;
    5. 初始化内存分配器;

    一、 memblock简介

            在Memblock之前还有一个在内核2.3.23版本引入的bootmem引导内存分配器。随着内存检测从简单的bios询问扩展内存块的大小演变为处理复杂的表,快,库和群集。人们开始使用memblock作为引导内存分配器。为什么我们把memlbock称之为引导内存分配器?很显然这是在kernel启动早期,系统还处于引导阶段。Memblock刚开始被称为LMB,Logical Memory Block。后来Yinghai Lu提了一个patch将其重命名为memblock

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  • 前面提到了伙伴系统初始化,我们知道伙伴系统是以页(≥4KB)为单位进行管理的。但在内核中,有些时候需要申请更小字节单位的内存。 slab由此而生... slab基于伙伴系统的以字节为单位进行管理的内存分配器。它首先...

    写在前面

    前面提到了伙伴系统初始化,我们知道伙伴系统是以页(≥4KB)为单位进行管理的。但在内核中,有些时候需要申请更小字节单位的内存。

    slab由此而生...

    slab基于伙伴系统的以字节为单位进行管理的内存分配器。它首先从Buddy系统申请内存,然后再对这部分申请到的内存进行细分化管理。

    当然,除了提供更小字节单位内存,slab也用于维护常用对象的缓存和提高cpu硬件缓存的利用率。

    slab分配器初内核中始化函数调用栈如下:

    一、初始化Slab分配器

    kmem_cache_init()主要完成内核slab内存分配体系的初始化。

    huang:
    linux_mainline-5.17.0/mm/slab.c
    //slab(slub)初始化
    1199  /*
    1200   * Initialisation.  Called after the page allocator have been initialised and
    1201   * before smp_init().
    1202   */
    1203  void __init kmem_cache_init(void)
    1204  {
    1205  	int i;
    1206    /*
             * kmem_cache_init创建系统中的第一个slab缓存,以便为kmem_cache的实例提供内存。
             * 为此,内核使
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  • DPDK : 解析内存初始化的过程

    千次阅读 2019-05-01 17:41:09
    这一篇文章主要是对DPDK的EAL(Environment Abstraction Layer)中内存初始化的解析,这是DPDK内存管理的基础。 注:在DPDK中,初始化由primary process完成,而其他process统称为secondary process,其可以通过读取...

    说明

           这一篇文章主要是对DPDK的EAL(Environment Abstraction Layer)中内存的初始化的解析,这是DPDK内存管理的基础
           由于个人水平所限,若所写的博文中存在错误,希望大家能帮忙指出。

           注:
                  1,在DPDK中,初始化由primary process完成。而其他process统称为secondary process,其可以通过读取一些文件来获取primary process的初始化信息,从而使得自身与primary process保持相同的内存映像。
                  2, DPDK采用了一种集中式控制的方式,比如在多进程的场景中,若一个secondary process要申请内存,则向primary process发起请求,由primary process完成相应操作后在通知secondary process(DPDK : 进程间通信以及在内存管理的应用)。

    一,初始化相关的代码入口

    从lib/librte_eal/linux/eal/eal.c中的方法int rte_eal_init(int argc,char **argv)开始:

    int
    rte_eal_init(int argc, char **argv){
    	······
    	rte_config_init();
    	if (internal_config.no_hugetlbfs == 0) {
    		/* rte_config isn't initialized yet */
    		ret = internal_config.process_type == RTE_PROC_PRIMARY ?
    				eal_hugepage_info_init() :
    				eal_hugepage_info_read();
    		······
    	}
    	······
    	if (rte_eal_memzone_init() < 0) { ······ }
    	if (rte_eal_memory_init() < 0) { ······ }
        if (rte_eal_malloc_heap_init() < 0) { ······  }
    }
    

    从上面可以看出,内存的初始化过程主要包含5个方面的初始化, rte_config_init(), eal_hugepage_info_init(), rte_eal_memzone_init(), rte_eal_memory_init(), rte_eal_malloc_heap_init(), 下面依次对这五个方面进行解析:

    二,相关的结构体的说明

    在开始之前,先对一些结构体中关于内存的变量进行一些说明(使用······说明省略了一些变量,不影响理解DPDK内存初始化):

    ********************rte_eal.h********************
    struct rte_config { //运行时环境的配置
    	······
    	/** PA or VA mapping mode */
    	enum rte_iova_mode iova_mode; //指明了DMA使用虚拟地址(virtual address, 简称VA), 还是物理地址(physical address, 简称PA)
    
    	/**
    	 * Pointer to memory configuration, which may be shared across multiple
    	 * DPDK instances
    	 */
    	 //这个指针指向的内存空间存放了一个DPDK instance的内存分布情况
    	 //DPDK内存初始化过程主要是初始化struct rte_mem_config中的每一项
    	struct rte_mem_config *mem_config;
    } __attribute__((__packed__));
    ********************eal_internal_cfg.h*******************
    struct hugepage_info {//用于存放每一个hugepage的信息
    	uint64_t hugepage_sz;	/**< size of a huge page */
    	char hugedir[PATH_MAX];	/**< dir where hugetlbfs is mounted */
    	uint32_t num_pages[RTE_MAX_NUMA_NODES];	/**< number of hugepages of that size on each socket */
    
    	int lock_descriptor;    /**< file descriptor for hugepage dir */
    	//lock_descriptor指的是挂载点(即hugedir字段)对应的file descriptor
    };
    
    /**
     * internal configuration
     */
    struct internal_config { //DPDK的全局配置信息
    	volatile size_t memory;           /**< amount of asked memory */ 	
    	//请求分配的内存数量
    	·······
    	volatile unsigned no_hugetlbfs;   /**< true to disable hugetlbfs */  
    	//是否允许使用hugetlbfs
    	
    	unsigned hugepage_unlink;         /**< true to unlink backing files */ 
    	//是否删除hugepage文件(DPDK在memalloc时将每一个hugepage当做一个文件处理)
    	·······
    	volatile unsigned no_shconf;      /**< true if there is no shared config */ 
    	//是否允许共享,不允许的话primary process不会将初始化信息写入到文件 
    	
    	volatile unsigned in_memory;
    	/**< true if DPDK should operate entirely in-memory and not create any
    	 * shared files or runtime data.
    	 */
    	volatile enum rte_proc_type_t process_type; /**< multi-process proc type */  
    	//用于区分primary process, 或者secondary process
    	
    	/** true to try allocating memory on specific sockets */
    	volatile unsigned force_sockets; //强制在指定的socket上分配内存
    	volatile uint64_t socket_mem[RTE_MAX_NUMA_NODES]; /**< amount of memory per socket */  
    	//表示每一个socket分配的内存数量
    	
    	volatile unsigned force_socket_limits; //设置是否限制socket分配的内存
    	volatile uint64_t socket_limit[RTE_MAX_NUMA_NODES]; /**< limit amount of memory per socket */  
    	//每一个socket分配的内存的上限
    	
    	uintptr_t base_virtaddr;          /**< base address to try and reserve memory from */
    	volatile unsigned legacy_mem; //指明是legacy mode, 或者dynamic mode
    	/**< true to enable legacy memory behavior (no dynamic allocation,
    	 * IOVA-contiguous segments).
    	 */
    	volatile unsigned match_allocations;
    	/**< true to free hugepages exactly as allocated */
    	volatile unsigned single_file_segments; //指明是single-file-segments mode, 或者 page-per-file mode
    	/**< true if storing all pages within single files (per-page-size,
    	 * per-node) non-legacy mode only.
    	 */
    	 
    	unsigned num_hugepage_sizes;      /**< how many sizes on this system */
    	struct hugepage_info hugepage_info[MAX_HUGEPAGE_SIZES];
    };
    ********************rte_eal_memconfig.h*******************
    struct rte_mem_config {
    	volatile uint32_t magic;   /**< Magic number - Sanity check. */
    	/* memory topology */
    	uint32_t nchannel;    /**< Number of channels (0 if unknown). */
    	uint32_t nrank;       /**< Number of ranks (0 if unknown). */
    	······
    	/* memory segments amemnd zones */
    	struct rte_fbarray memzones; /**< Memzone descriptors. */
    	
    	//每一个struct rte_memseg_list中使用<socket id, pagesz>进行标识
    	//memsegs 可能存在多个具有相同<socket id, page_sz>的struct rte_memseg_list
    	struct rte_memseg_list memsegs[RTE_MAX_MEMSEG_LISTS];
    	/**< list of dynamic arrays holding memsegs */
    	······
    	/* Heaps of Malloc */
    	struct malloc_heap malloc_heaps[RTE_MAX_HEAPS];
        ······
    	/* address of mem_config in primary process. used to map shared config into
    	 * exact same address the primary process maps it.
    	 */
    	uint64_t mem_cfg_addr; //这个地址等于struct rte_config中的struct rte_mem_config *mem_config
    
    	/* legacy mem and single file segments options are shared */
    	uint32_t legacy_mem;	//指明内存是legacy mode, 还是dynamic mode
    	uint32_t single_file_segments; // 指明memalloc是single-file-segments mode, 还是page-per-file mode
        ······
    } __attribute__((__packed__));
    
    struct rte_memseg_list {//每一个rte_memseg_list由page_sz和socket_id唯一标识
    	RTE_STD_C11
    	union {
    		void *base_va;
    		/**< Base virtual address for this memseg list. */
    		uint64_t addr_64;
    		/**< Makes sure addr is always 64-bits */
    	};//指向一块用于存放rte_memseg的内存空间
    	uint64_t page_sz; /**< Page size for all memsegs in this list. */
    	int socket_id; /**< Socket ID for all memsegs in this list. */
    	······
    	size_t len; /**< Length of memory area covered by this memseg list. */
    	 //指明具有base_va所指向的内存空间的字节数总量
    	······
    	struct rte_fbarray memseg_arr; //用于管理base_va指向的内存空间,包含rte_memseg相关的元数据
    };
    
    ********************rte_memory.h*******************
    struct rte_memseg { //一个rte_memseg等同于一个hugepage
    	RTE_STD_C11
    	union {
    		phys_addr_t phys_addr;  /**< deprecated - Start physical address. */
    		rte_iova_t iova;        /**< Start IO address. */
    	};
    	RTE_STD_C11
    	union {
    		void *addr;         /**< Start virtual address. */
    		uint64_t addr_64;   /**< Makes sure addr is always 64 bits */
    	};
    	size_t len;               /**< Length of the segment. */
    	uint64_t hugepage_sz;       /**< The pagesize of underlying memory */
    	int32_t socket_id;          /**< NUMA socket ID. */
    	uint32_t nchannel;          /**< Number of channels. */
    	uint32_t nrank;             /**< Number of ranks. */
    	uint32_t flags;             /**< Memseg-specific flags */
    } __rte_packed;
    ********************eal_hugepages.h*******************
    struct hugepage_file {
    	void *orig_va;      /**< virtual addr of first mmap() */
    	void *final_va;     /**< virtual addr of 2nd mmap() */
    	uint64_t physaddr;  /**< physical addr */
    	size_t size;        /**< the page size */
    	int socket_id;      /**< NUMA socket ID */
    	int file_id;        /**< the '%d' in HUGEFILE_FMT */  	//这是第file_id个大小为size的hugepage
    	
    	char filepath[MAX_HUGEPAGE_PATH]; /**< path to backing file on filesystem */
    	//filepath指明hugepage对应的文件
    };
    

    三,对于primary process的内存初始化过程:

    1, rte_config_init() :

           这个函数主要是为struct rte_config中的struct rte_mem_config *mem_config(简称mcfg)申请一块内存空间,并且在运行时目录下创建一个名字为config的文件,并且将mcfg的内容写进此文件。这样,secondary process在初始化时就能通过读取config文件来创建和primary process一样的内存映像。

           在这里采用了mmap()的方式将config文件和mcfg进行了映射,所以在后面的初始化操作中,一旦对config进行了写操作,也能够立刻反映到其他的进程中(类似于使用共享内存通信)。

    2, eal_hugepage_info_init() : 读取系统中的hugepage的信息。

           在linux系统中,会打开系统目录/sys/kernel/mm/hugepages,遍历每一个目录项下获取系统支持的hugepage size。然后从/proc/mounts中根据hugepage size获取对应挂载点(mount point), 然后计算在不同socket中每一种free hugepage的数量,。将每一种大页的相关信息存放在internal_config->hugepage_info中。

           然后会在runtime dir下创建一个名字为hugepage_info的文件,将internal_config->hugepage_info写入到该文件。

    3,rte_eal_memzone_init()

           初始化mcfg->memzones, 申请一块内存空间,用于保存以后内存分配时使用到的struct memzone。(memzone所使用的内存空间也是从rte_heap中分配的,rte_memzone_reserve和rte_malloc之间的区别尚未解决)

    4,rte_eal_memory_init() : 这是内存初始化过程的核心,其中包括了memseg_primary_init(), eal_memalloc_init(), rte_eal_hugepage_init(), rte_eal_memdevice_init().

           1), memseg_primary_init() :

    	确定每一种类型(由socket id和page sz确定)的struct rte_memseg_list的数量,及其所包含的mem segment的数量。
    	然后,根据确定的数量为mcfg->memsegs中的struct rte_memseg_list分配虚拟内存空间。
    

           2), eal_memalloc_init() :

    	初始化struct fd_list
    		如果是single-file-segments mode, 则对于一个rte_memseg_list,只使用一个file descriptor(fd_list中的memseg_list_fd)
    		如果是file-per-page, 则对于一个rte_memseg_list中的每一个mem segment, 都会使用一个file descriptor(fd_list中的fds)
    

           3), rte_eal_hugepage_init()

    	*如果是legacy mem, 则调用eal_legacy_hugepage_init()
    		1), 根据internal_config->hugepage_info初始化hugepage_file, 并且将这些hugepage_file, 根据<socket id, pagesz>
    			对应的rte_memseg_list中的rte_memseg进行映射。
    		2),然后对hugepage_file排序(使得按照页的size降序排序,同一种size按照物理地址升序排序),
    			然后根据internal_config->socket_mem计算hugepage在不同socket的分布,
    		3),之后对所有的hugepage_file进行重映射,使得虚拟内存连续的mem segments在物理内存上也是连续的,
    			并且同一个rte_memseg_list所有的mem_sgement的虚拟地址和物理地址都是单调递增。
    		4),接着,设置fd_list中对应的file descriptor。
    		5),这个方法会将hugepage_file写入到hugepage_data文件。
    		
    		在实现的过程中采用了read-ahead, 目的是为了保证虚拟内存连续的mem segments在物理内存上也是连续的,
    	同时也能够提前载入物理页,提高系统的性能。
    		而对于nohugepage的情况,将其视为legacy, single-file mode,采用的页的大小为4K。
    		
    	*如果是dynamic mem, 则调用eal_hugepage_init()
    		根据socket_mem的需求,计算hugepage在不同socket的分布。然后使用了eal_memalloc_alloc_seg_bluk进行分配,
    	  由于这个方法是一个一个mem segment进行分配,所以不能保证分配完成后,虚拟空间上连续的mem segments在物理上也是连续的.
    		采用了pre-allocate,能够提高系统的性能。
    

           4), rte_eal_memdevice_init().:

    	设置mcfg->nchannel, mcfg->nrank
    
    5, rte_eal_malloc_heap_init()

           初始化mcfg->malloc_heaps;并且注册进程间通信的handle,用于多进程环境下的内存分配;初始化heap的结构。
           其中每一个socket会对应一个heap。

    初始化完成后heap的结构如下(一个例子) :

    heap

           假设系统支持两种大小的hugepage(2MB, 1GB)
           上图的heap包含两个rte_memseg_list, 每一个都包含3个contiguous mem segments(其中可能包含一个或多个hugepage), 总共有6个contiguous mem segments(图中浅黄色的部分). 每一个contigous mem segments都包含一个malloc_elem,用于记录此contiguous mem segments的元数据。每一个struct malloc_heap都会指向第一个malloc_elem和最后一个malloc_elem;并且一个heap中,所有的malloc_elem会组成一个双向链表。

    四,对于secondary process的内存初始化过程:

    1, rte_config_init()

           使用mmap()将config文件映射到此进程的mcfg,这样可以直接读取primary process的内存映像.

    2, eal_hugepage_info_init() :

           读取hugepage文件的内容,并保存在struct internal_config->hugepage_info中。

    3,rte_eal_memzone_init()

           根据config文件中关于memzones的内容, 创建一个和primary process具有相同内存映像的mcfg->memzones

    4,rte_eal_memory_init() : 这是内存初始化过程的核心,其中包括了memseg_secondary_init(), eal_memalloc_init(), rte_eal_hugepage_attach(), rte_eal_memdevice_init().

           1), memseg_secondary_init() :

    	直接根据**config**文件的内容创建和primary process相同的虚拟内存空间视图。
    

           2), eal_memalloc_init() :

    	对mcfg中的struct rte_memseg_list, 创建一个本地副本(即local_memsegs),用于同步memory hotplug
    	初始化struct fd_list
    		如果是single-file-segments mode, 则对于一个rte_memseg_list,只使用一个file descriptor(fd_list中的memseg_list_fd)
    		如果是file-per-page, 则对于一个rte_memseg_list中的每一个mem segment, 都会使用一个file descriptor(fd_list中的fds)
    

           3)rte_eal_hugepage_attach()

    	如果是legacy mem, eal_legacy_hugepage_attach()
    		读取hugepage_data文件,根据文件的内容建立与primary process相应的内存映像,并且设置fd_list中相应的file descriptor.
    	如果是dynamic mem, eal_hugepage_attach()
    		调用eal_memalloc_sync_with_primary(), 将primary process的mcfg->memsegs同步到此进程的local_memsegs.
    

            4)rte_eal_memdevice_init() :

    	不做任何操作.
    
    5, rte_eal_malloc_heap_init()

           初始化mcfg->malloc_heaps;并且注册进程间通信的handle,用于多进程环境下的内存分配;初始化heap的结构。

    五,总结

           1,如果没有采用hugetlbfs,则默认采用系统页(大小为4K)
           2, DPDK有两种内存模式 :

    	legacy mode : 保证虚拟空间连续的contiguous mem segments在物理空间上也是连续的
    	dynamic mode : 分配hugepage时是一个一个分配的,不能和legacy mode有一样的保证
    

           3, DPDK在memalloc时有两种模式single-file-segments, page-per-file, 每一种都在hugetlbfs的挂载点上有相应的文件形式(即存在于内存中的文件),这样在内存分配时可以使用对file descriptor操作的系统调用对内存进行操作。
           4,每一个socket有一个heap, 每一个heap包含若干个rte_memseg_list, 每一个rte_memseg_list包含若干rte_memseg, 一个rte_memseg对应于一个memory page
           5, 在分配内存时,采用了read-ahead, pre-allocated等方法,能够减少由于页错误而阻塞的情况,提高系统的性能。

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    最近在C++用new进行动态内存分配的时候,发现在new一个内置类型时,new是不会对其进行初始化的。可以总结一下new一个内置类型时,可以采用的初始化方法。 单变量初始化 可以采用以下形式: int*p = new int();//此时...
  • 这部分主要介绍,bootmem_init()内存基本数据结构初始化,如内存节点,内存域。
  • C++学习之内存的分配和初始化

    千次阅读 2018-10-06 13:46:50
    1. 使用new动态分配和初始化对象 在自由空间分配的内存是无名的,new返回一个指向分配的对象的指针。 int *pi = new int; // pi指向一个动态分配的、未初始化的无名对象 默认情况下,动态分配的对象是默认初始...
  • 浅谈C语言的初始化

    千次阅读 2021-05-19 18:17:55
    可能以前写的代码太少了,现在突然发现其实C语言变量的初始化也是一门不小的学问。其实很早之前我都天真的以为C语言会将变量自动初始化为0或'0'或NULL,但是在以后的编程我愈发发现,我真是太天真了。跟大家啰嗦一句...
  • C语言内存初始化

    千次阅读 2016-05-08 02:17:47
    我们编写C语言的时候需要给变量申请一块内存区域,当我们创建一个内存区域的时候,内存中的数据十有八九是乱七八糟的(因为其他代码用过后遗留的数据并没有及时清掉) 例如: int main() { char str[10];//分配的...
  • 一、我的问题是关于初始化C++类成员的。我见过许多这样的代码: CSomeClass::CSomeClass() { x=0; y=1; } 而在别的什么地方则写成下面的样子: CSomeClass::CSomeClass() : x(0), y(1) { } 我的...
  • Verilog 变量初始化

    千次阅读 2021-04-22 16:47:06
    reg型变量需要初始化 方法: always来时钟,用复位信号rst控制(通常用方法1) 定义时直接赋值,通常为0(没有复位信号时用方法2) 示例:用计数器生成复位信号,将寄存器变量初始化为零: //复位:1;工作:0 ...
  • 日期 内核版本 架构 作者 GitHub CSDN 2016-06-14 ...在内存管理的上下文中, 初始化(initialization)可以有多种含义. 在许多CPU上, 必须显式设置适用于Linux内核的内存模型. 例如在x86_32上需要切换

空空如也

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内存初始化

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