一、UMA和NUMA两种模型

共享存储型多处理机有两种模型

• 均匀存储器存取（Uniform-Memory-Access，简称UMA）模型
• 非均匀存储器存取（Nonuniform-Memory-Access，简称NUMA）模型

UMA模型

物理存储器被所有处理机均匀共享。所有处理机对所有存储字具有相同的存取时间，这就是为什么称它为均匀存储器存取的原因。每台处理机可以有私用高速缓存,外围设备也以一定形式共享。

NUMA模型

NUMA模式下，处理器被划分成多个”节点”（node）， 每个节点被分配有的本地存储器空间。 所有节点中的处理器都可以访问全部的系统物理存储器，但是访问本节点内的存储器所需要的时间，比访问某些远程节点内的存储器所花的时间要少得多。

(N)UMA模型中linux内存的机构

非一致存储器访问(NUMA)模式下

处理器被划分成多个”节点”(node), 每个节点被分配有的本地存储器空间. 所有节点中的处理器都可以访问全部的系统物理存储器，但是访问本节点内的存储器所需要的时间，比访问某些远程节点内的存储器所花的时间要少得多

内存被分割成多个区域（BANK，也叫”簇”），依据簇与处理器的”距离”不同, 访问不同簇的代码也会不同. 比如，可能把内存的一个簇指派给每个处理器，或则某个簇和设备卡很近，很适合DMA，那么就指派给该设备。因此当前的多数系统会把内存系统分割成2块区域，一块是专门给CPU去访问，一块是给外围设备板卡的DMA去访问

在UMA系统中, 内存就相当于一个只使用一个NUMA节点来管理整个系统的内存. 而内存管理的其他地方则认为他们就是在处理一个(伪)NUMA系统.

Linux把物理内存划分为三个层次来管理

二、内存节点node

2.1 为什么要用node来描述内存

这点前面是说的很明白了, NUMA结构下, 每个处理器CPU与一个本地内存直接相连, 而不同处理器之前则通过总线进行进一步的连接, 因此相对于任何一个CPU访问本地内存的速度比访问远程内存的速度要快

Linux适用于各种不同的体系结构, 而不同体系结构在内存管理方面的差别很大. 因此linux内核需要用一种体系结构无关的方式来表示内存.

因此linux内核把物理内存按照CPU节点划分为不同的node, 每个node作为某个cpu结点的本地内存, 而作为其他CPU节点的远程内存, 而UMA结构下, 则任务系统中只存在一个内存node, 这样对于UMA结构来说, 内核把内存当成只有一个内存node节点的伪NUMA

2.2 内存结点的概念

CPU被划分为多个节点(node), 内存则被分簇, 每个CPU对应一个本地物理内存, 即一个CPU-node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点

系统的物理内存被划分为几个节点(node), 一个node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点

内存被划分为结点. 每个节点关联到系统中的一个处理器, 内核中表示为pg_data_t的实例. 系统中每个节点被链接到一个以NULL结尾的pgdat_list链表中<而其中的每个节点利用pg_data_tnode_next字段链接到下一节．而对于PC这种UMA结构的机器来说, 只使用了一个成为contig_page_data的静态pg_data_t结构.

内存中的每个节点都是由pg_data_t描述,而pg_data_t由struct pglist_data定义而来, 该数据结构定义在include/linux/mmzone.h, line 615

在分配一个页面时, Linux采用节点局部分配的策略, 从最靠近运行中的CPU的节点分配内存, 由于进程往往是在同一个CPU上运行, 因此从当前节点得到的内存很可能被用到

2.3 pg_data_t描述内存节点

表示node的数据结构为typedef struct pglist_data pg_data_t， 这个结构定义在include/linux/mmzone.h, line 615中,结构体的内容如下

二、内存节点node

2.1 为什么要用node来描述内存

这点前面是说的很明白了, NUMA结构下, 每个处理器CPU与一个本地内存直接相连, 而不同处理器之前则通过总线进行进一步的连接, 因此相对于任何一个CPU访问本地内存的速度比访问远程内存的速度要快

Linux适用于各种不同的体系结构, 而不同体系结构在内存管理方面的差别很大. 因此linux内核需要用一种体系结构无关的方式来表示内存.

因此linux内核把物理内存按照CPU节点划分为不同的node, 每个node作为某个cpu结点的本地内存, 而作为其他CPU节点的远程内存, 而UMA结构下, 则任务系统中只存在一个内存node, 这样对于UMA结构来说, 内核把内存当成只有一个内存node节点的伪NUMA

2.2 内存结点的概念

CPU被划分为多个节点(node), 内存则被分簇, 每个CPU对应一个本地物理内存, 即一个CPU-node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点

系统的物理内存被划分为几个节点(node), 一个node对应一个内存簇bank，即每个内存簇被认为是一个节点

内存被划分为结点. 每个节点关联到系统中的一个处理器, 内核中表示为pg_data_t的实例. 系统中每个节点被链接到一个以NULL结尾的pgdat_list链表中<而其中的每个节点利用pg_data_tnode_next字段链接到下一节．而对于PC这种UMA结构的机器来说, 只使用了一个成为contig_page_data的静态pg_data_t结构.

内存中的每个节点都是由pg_data_t描述,而pg_data_t由struct pglist_data定义而来, 该数据结构定义在include/linux/mmzone.h, line 615

在分配一个页面时, Linux采用节点局部分配的策略, 从最靠近运行中的CPU的节点分配内存, 由于进程往往是在同一个CPU上运行, 因此从当前节点得到的内存很可能被用到

2.3 pg_data_t描述内存节点

表示node的数据结构为typedef struct pglist_data pg_data_t， 这个结构定义在include/linux/mmzone.h, line 615中,结构体的内容如下

2.5 结点的内存管理域

typedef struct pglist_data {

/* 包含了结点中各内存域的数据结构 , 可能的区域类型用zone_type表示*/

struct zone node_zones[MAX_NR_ZONES];

/* 指点了备用结点及其内存域的列表，以便在当前结点没有可用空间时，在备用结点分配内存 */

struct zonelist node_zonelists[MAX_ZONELISTS];

int nr_zones; /* 保存结点中不同内存域的数目 */

} pg_data_t;

node_zones[MAX_NR_ZONES]数组保存了节点中各个内存域的数据结构,

而node_zonelist则指定了备用节点以及其内存域的列表, 以便在当前结点没有可用空间时, 在备用节点分配内存.

nr_zones存储了结点中不同内存域的数目

2.6 结点的内存页面

typedef struct pglist_data

{

struct page *node_mem_map; /* 指向page实例数组的指针，用于描述结点的所有物理内存页，它包含了结点中所有内存域的页。 */

/* /*起始页面帧号，指出该节点在全局mem_map中的偏移

系统中所有的页帧是依次编号的，每个页帧的号码都是全局唯一的（不只是结点内唯一） */

unsigned long node_start_pfn;

unsigned long node_present_pages; /* total number of physical pages 结点中页帧的数目 */

unsigned long node_spanned_pages; /* total size of physical page range, including holes 该结点以页帧为单位计算的长度，包含内存空洞 */

int node_id; /* 全局结点ID，系统中的NUMA结点都从0开始编号 */

} pg_data_t;

其中node_mem_map是指向页面page实例数组的指针, 用于描述结点的所有物理内存页. 它包含了结点中所有内存域的页.

node_start_pfn是该NUMA结点的第一个页帧的逻辑编号. 系统中所有的节点的页帧是一次编号的, 每个页帧的编号是全局唯一的. node_start_pfn在UMA系统中总是0， 因为系统中只有一个内存结点， 因此其第一个页帧编号总是0.

node_present_pages指定了结点中页帧的数目, 而node_spanned_pages则给出了该结点以页帧为单位计算的长度. 二者的值不一定相同, 因为结点中可能有一些空洞, 并不对应真正的页帧.

2.7 交换守护进程

typedef struct pglist_data

{

wait_queue_head_t kswapd_wait; /* 交换守护进程的等待队列，

在将页帧换出结点时会用到。后面的文章会详细讨论。 */

wait_queue_head_t pfmemalloc_wait;

struct task_struct *kswapd; /* Protected by mem_hotplug_begin/end() 指向负责该结点的交换守护进程的task_struct。 */

};

kswapd指向了负责将该结点的交换守护进程的task_struct. 在将页帧换出结点时会唤醒该进程.

kswap_wait是交换守护进程(swap daemon)的等待队列

而kswapd_max_order用于页交换子系统的实现, 用来定义需要释放的区域的长度.

三、结点状态

3.1 结点状态标识node_states

内核用enum node_state变量标记了内存结点所有可能的状态信息, 其定义在include/linux/nodemask.h?v=4.7, line 381

enum node_states {

N_POSSIBLE, /* The node could become online at some point

结点在某个时候可能变成联机*/

N_ONLINE, /* The node is online

节点是联机的*/

N_NORMAL_MEMORY, /* The node has regular memory

结点是普通内存域 */

#ifdef CONFIG_HIGHMEM

N_HIGH_MEMORY, /* The node has regular or high memory

结点是普通或者高端内存域*/

#else

N_HIGH_MEMORY = N_NORMAL_MEMORY,

#endif

#ifdef CONFIG_MOVABLE_NODE

N_MEMORY, /* The node has memory(regular, high, movable) */

#else

N_MEMORY = N_HIGH_MEMORY,

#endif

N_CPU, /* The node has one or more cpus */

NR_NODE_STATES

};

其中N_POSSIBLE, N_ONLINE和N_CPU用于CPU和内存的热插拔.

对内存管理有必要的标志是N_HIGH_MEMORY和N_NORMAL_MEMORY, 如果结点有普通或高端内存则使用N_HIGH_MEMORY, 仅当结点没有高端内存时才设置N_NORMAL_MEMORY

N_NORMAL_MEMORY, /* The node has regular memory

结点是普通内存域 */

#ifdef CONFIG_HIGHMEM

N_HIGH_MEMORY, /* The node has regular or high memory

结点是高端内存域*/

#else

/* 没有高端内存域, 仍设置N_NORMAL_MEMORY */

N_HIGH_MEMORY = N_NORMAL_MEMORY,

#endif

同样ZONE_MOVABLE内存域同样用类似的方法设置, 仅当系统中存在ZONE_MOVABLE内存域内存域(配置了CONFIG_MOVABLE_NODE参数)时, N_MEMORY才被设定, 否则则被设定成N_HIGH_MEMORY, 而N_HIGH_MEMORY设定与否同样依赖于参数CONFIG_HIGHMEM的设定

#ifdef CONFIG_MOVABLE_NODE

N_MEMORY, /* The node has memory(regular, high, movable) */

#else

N_MEMORY = N_HIGH_MEMORY,

#endif

3.2 结点状态设置函数

内核提供了辅助函数来设置或者清楚位域活特定结点的一个比特位：

static inline int node_state(int node, enum node_states state)

static inline void node_set_state(int node, enum node_states state)

static inline void node_clear_state(int node, enum node_states state)

static inline int num_node_state(enum node_states state)

此外宏for_each_node_state(__node, __state)用来迭代处于特定状态的所有结点,

#define for_each_node_state(__node, __state) \

for_each_node_mask((__node), node_states[__state])

而for_each_online_node(node)则负责迭代所有的活动结点.

如果内核编译只支持当个结点(即使用平坦内存模型), 则没有结点位图, 上述操作该位图的函数则变成空操作, 其定义形式如下, 参见include/linux/nodemask.h?v=4.7, line 406

参见内核

#if MAX_NUMNODES > 1

/* some real function */

#else

/* some NULL function */

#endif

四、查找内存结点

node_id作为全局节点id。 系统中的NUMA结点都是从0开始编号的

4.1 linux-2.4中的实现

pgdat_next指针域和pgdat_list内存结点链表

而对于NUMA结构的系统中, 在linux-2.4.x之前的内核中所有的节点，内存结点pg_data_t都有一个next指针域pgdat_next指向下一个内存结点. 这样一来系统中所有结点都通过单链表pgdat_list链接起来, 其末尾是一个NULL指针标记.

这些节点都放在该链表中，均由函数init_bootmem_core()初始化结点

for_each_pgdat(pgdat)来遍历node节点

那么内核提供了宏函数for_each_pgdat(pgdat)来遍历node节点, 其只需要沿着node_next以此便立即可, 参照include/linux/mmzone.h?v=2.4.37, line 187

/**

* for_each_pgdat - helper macro to iterate over nodes

* @pgdat - pg_data_t * variable

* Meant to help with common loops of the form

* pgdat = pgdat_list;

* while(pgdat) {

* ...

* pgdat = pgdat->node_next;

* }

*/

#define for_each_pgdat(pgdat) \

for (pgdat = pgdat_list; pgdat; pgdat = pgdat->node_next)

4.2 linux-3.x~4.x的实现

node_data内存节点数组

在新的linux3.x~linux4.x的内核中，内核移除了pg_data_t的pgdat_next之指针域, 同时也删除了pgdat_list链表, 参见Remove pgdat list和Remove pgdat list ver.2

但是定义了一个大小为MAX_NUMNODES类型为pg_data_t数组node_data,数组的大小根据CONFIG_NODES_SHIFT的配置决定. 对于UMA来说，NODES_SHIFT为0，所以MAX_NUMNODES的值为1.

for_each_online_pgdat遍历所有的内存结点

内核提供了for_each_online_pgdatfor_each_online_pgdat(pgdat)来遍历节点

/**

* for_each_online_pgdat - helper macro to iterate over all online nodes

* @pgdat - pointer to a pg_data_t variable

*/

#define for_each_online_pgdat(pgdat) \

for (pgdat = first_online_pgdat(); \

pgdat; \

pgdat = next_online_pgdat(pgdat))

其中first_online_pgdat可以查找到系统中第一个内存节点的pg_data_t信息, next_online_pgdat则查找下一个内存节点.

下面我们来看看first_online_pgdat和next_online_pgdat是怎么实现的.

first_online_node和next_online_node返回结点编号

由于没了next指针域pgdat_next和全局node链表pgdat_list, 因而内核提供了first_online_node指向第一个内存结点, 而通过next_online_node来查找其下一个结点, 他们是通过状态node_states的位图来查找结点信息的, 定义在include/linux/nodemask.h?v4.7, line 432

// http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/nodemask.h?v4.7#L432

#define first_online_node first_node(node_states[N_ONLINE])

#define first_memory_node first_node(node_states[N_MEMORY])

static inline int next_online_node(int nid)

{

return next_node(nid, node_states[N_ONLINE]);

}

first_online_node和next_online_node返回所查找的node结点的编号, 而有了编号, 我们直接去node_data数组中按照编号进行索引即可去除对应的pg_data_t的信息.内核提供了NODE_DATA(node_id)宏函数来按照编号来查找对应的结点, 它的工作其实其实就是从node_data数组中进行索引

NODE_DATA(node_id)查找编号node_id的结点pg_data_t信息

移除了pg_data_t->pgdat_next指针域. 但是所有的node都存储在node_data数组中, 内核提供了函数NODE_DATA直接通过node编号索引节点pg_data_t信息, 参见NODE_DATA的定义

extern struct pglist_data *node_data[];

#define NODE_DATA(nid) (node_data[(nid)])

在UMA结构的机器中, 只有一个node结点即contig_page_data, 此时NODE_DATA直接指向了全局的contig_page_data, 而与node的编号nid无关, 参照include/linux/mmzone.h?v=4.7, line 858, 其中全局唯一的内存node结点contig_page_data定义在mm/nobootmem.c?v=4.7, line 27, linux-2.4.37

#ifndef CONFIG_NEED_MULTIPLE_NODES

extern struct pglist_data contig_page_data;

#define NODE_DATA(nid) (&contig_page_data)

#define NODE_MEM_MAP(nid) mem_map

else

/* ...... */

#endif

first_online_pgdat和next_online_pgdat返回结点的pg_data_t

• 首先通过first_online_node和next_online_node找到节点的编号
• 然后通过NODE_DATA(node_id)查找到对应编号的结点的pg_data_t信息

struct pglist_data *first_online_pgdat(void)

{

return NODE_DATA(first_online_node);

}

struct pglist_data *next_online_pgdat(struct pglist_data *pgdat)

{

int nid = next_online_node(pgdat->node_id);

if (nid == MAX_NUMNODES)

return NULL;

return NODE_DATA(nid);

}