启动期间的内存管理之初始化过程概述----Linux内存管理(九)

Linux初始化

本文对于中移苏州软件技术有限公司面试问题中的“8Linux内核内存初始化的完整流程。

”进行解答与解析。

实际上早有此心把Linux内核尤其是进程管理、内存管理和文件系统的代码都筛一遍。

但是一直由于种种原因没有花大力气真正干。

正好借着这个机会开始做这个事情。

先从面试中问到的内存管理开始。

在Linux系统初始化过程中必须建立内存管理的数据结构以及很多事务。

因为Linux内核在内存管理完全初始化之前就需要使用内存。

在系统启动期间使用了额外的简化的内存管理模块。

随后在初始化完成后将旧的模块丢弃掉。

阶段起点终点过程描述第一阶段系统启动bootmem或者memblock初始化完成前此阶段只能使用memblock_reserve函数分配内存早期内核中使用init_bootmem_done1标识此阶段结束第二阶段bootmem或者memblock初始化完成buddy初始化完成前引导内存分配器bootmem或者memblock接受内存的管理工作早期内核中使用mem_init_done1标记此阶段的结束第三阶段buddy初始化完成系统停止运行可以用cache和buddy分配内存

首先我们来看看start_kernel()是如何初始化系统的。

start_kerne函数在init/main.c中代码如下笔者使用的内核源码版本为6.7在这个时间点上是比较新的版本

asmlinkage

*after_dashes;set_task_stack_end_magic(init_task);smp_setup_processor_id();debug_objects_early_init();init_vmlinux_build_id();cgroup_init_early();local_irq_disable();early_boot_irqs_disabled

true;/**

***m.*/boot_cpu_init();page_address_init();pr_notice(%s,

linux_banner);early_security_init();setup_arch(command_line);setup_boot_config();setup_command_line(command_line);setup_nr_cpu_ids();setup_per_cpu_areas();smp_prepare_boot_cpu();

arch-specific

*/boot_cpu_hotplug_init();pr_notice(Kernel

command

*/jump_label_init();parse_early_param();after_dashes

parse_args(Booting

unknown_bootoption);print_unknown_bootoptions();if

(!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes))parse_args(Setting

init

(extra_init_args)parse_args(Setting

extra

*/random_init_early(command_line);/**

These

allocator*/setup_log_buf(0);vfs_caches_init_early();sort_main_extable();trap_init();mm_core_init();poking_init();ftrace_init();/*

trace_printk

(WARN(!irqs_disabled(),Interrupts

were

it\n))local_irq_disable();radix_tree_init();maple_tree_init();/**

Set

account.*/housekeeping_init();/**

Allow

workqueue_init().*/workqueue_init_early();rcu_init();/*

Trace

(initcall_debug)initcall_debug_enable();context_tracking_init();/*

init

*/early_irq_init();init_IRQ();tick_init();rcu_init_nohz();init_timers();srcu_init();hrtimers_init();softirq_init();timekeeping_init();time_init();/*

This

*/kfence_init();boot_init_stack_canary();perf_event_init();profile_init();call_function_init();WARN(!irqs_disabled(),

Interrupts

early\n);early_boot_irqs_disabled

false;local_irq_enable();kmem_cache_init_late();/**

HACK

panic_later,panic_param);lockdep_init();/**

Need

too:*/locking_selftest();#ifdef

(initrd_start

it.\n,page_to_pfn(virt_to_page((void

*)initrd_start)),min_low_pfn);initrd_start

0;}

#endifsetup_per_cpu_pageset();numa_policy_init();acpi_early_init();if

(late_time_init)late_time_init();sched_clock_init();calibrate_delay();arch_cpu_finalize_init();pid_idr_init();anon_vma_init();

#ifdef

(efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES))efi_enter_virtual_mode();

#endifthread_stack_cache_init();cred_init();fork_init();proc_caches_init();uts_ns_init();key_init();security_init();dbg_late_init();net_ns_init();vfs_caches_init();pagecache_init();signals_init();seq_file_init();proc_root_init();nsfs_init();cpuset_init();cgroup_init();taskstats_init_early();delayacct_init();acpi_subsystem_init();arch_post_acpi_subsys_init();kcsan_init();/*

***

!__has_attribute(__no_stack_protector__)prevent_tail_call_optimization();

#endif

可以看到start_kernel函数代码很长有200行。

在此只截取出其中与内存管理初始化相关的部分如下所示

asmlinkage

{……setup_arch(command_line);……setup_per_cpu_areas();……mm_core_init();……kmem_cache_init_late();……setup_per_cpu_pageset();numa_policy_init();……anon_vma_init();……pagecache_init();……/*

***

初始化内核用于查找物理页面地址的数据结构setup_arch是一个特定于体系结构的设置函数其中的一项任务是负责初始化自举分配器setup_per_cpu_areas给每个CPU分配内存并拷贝.data.percpu段的数据build_all_zonelists建立并初始化结点和内存域的数据结构已移至mm_core_init函数中mm_core_init建立了内核的内存分配器。

其中通过mem_init函数停用bootmem分配器并迁移到实际的内存管理器比如伙伴系统

然后调用kmem_cache_init函数初始化内核内部用于小块内存区的分配器kmem_cache_init_late在kmem_cache_init函数之后完善分配器的缓存机制当前3个可用的内核内存分配器slab、slob、slub都会定义此函数

kmemleak_init

提供了一种可选的内核泄漏检测其方法类似于跟踪内存收集器。

当独立的对象没有被释放时其报告记录在/sys/kernel/debug/kmemleak中kmemcheck()能够帮助定位大多数内存错误的上下文已移至mm_core_init函数中setup_per_cpu_pageset初始化CPU高速缓存行为pagesets的第一个数组元素分配内存换句话说其实就是第一个系统处理器分配numa_policy_init初始化NUMA策略anon_vma_init匿名虚拟内存域初始化创建anon_vma的slab缓存pagecache_init页高速缓存的初始化arch_call_rest_init用于在系统引导时调用平台特定的初始化函数

在操作系统初始化的初期操作系统只是获取到了内存的基本信息内存管理的数据结构都没有建立。

而这些数据结构创建的过程本身就是一个内存分配的过程。

那么问题就来了内存管理数据结构需要分配到相应的内存才能完成做后续工作但是它所做的工作本身就是为了内存能够分配。

此时还没有一个内存管理器去负责分配和回收内存而又不可能将所有的内存信息都静态地创建并初始化那么怎么分配内存管理器所需要的内存呢这就是一个典型的“鸡生蛋、蛋生鸡”的问题。

不过甭管是先有鸡还是先有蛋总归要先有二者之一才能有后续的循环。

类比于鸡和蛋问题我们先要实现一个满足要求的但是可能效率不高的笨家伙内存管理器用它来负责系统初始化初期的内存管理最重要地用它来初始化我们内存的数据结构直到我们真正的内存管理器被初始化完成并能投入使用。

之后就可以将旧的内存管理器丢掉。

因此在系统启动过程期间内核使用了一个额外的简化形式的内存管理模块早期的引导内存分配器boot

memory

allocator–bootmem分配器或者memblock用于在启动阶段早期分配内存。

而在系统初始化完成后该分配器被内核抛弃然后初始化了一套新的更加完善的内存分配器。

系统启动

从下一回开始对start_kernel()中的内存管理相关函数进行详细解析。