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扩展内存机制与实现详解

扩展内存机制与实现详解

源码路径：rk3588/kernel-6.1/mm/vmalloc.c、gup.c、migrate.c、hugetlb.c、huge_memory.c、shmem.c、memfd.c、ksm.c、userfaultfd.c、hmm.c、damon/ 等
内核版本：Linux 6.1（RK3588）
文档目录：linuxDoc/mm/

目录

一、原理

除核心「页分配 + VMA + page cache + 回收」外，MM 还提供多种 专用内存机制，分别解决：

需求 机制
内核大块虚拟连续 vmalloc
固定用户页供 DMA GUP
页迁移 / 热插拔 migrate
大页 / TLB 优化 hugetlb / THP
共享匿名 / tmpfs shmem
密封匿名 fd memfd
同内容合并 KSM
用户态缺页 userfaultfd
设备内存镜像 HMM
访问模式监控 DAMON

二、实现方式

2.1 vmalloc（vmalloc.c）

  • 在 VMALLOC_START–VMALLOC_END 虚拟范围分配 连续虚拟地址
  • 物理页逐页 alloc_page，通过 vmalloc 页表 映射
  • 用于模块加载、大缓冲区、vmap 等
  • vmalloc_init 建立 vmap_area 红黑树/链表管理

2.2 GUP（gup.c）

get_user_pages / pin_user_pages：

  • 遍历用户 PTE，将页 pin 住（增加 ref），供 RDMA、VFIO、io_uring、drm 等 DMA
  • FOLL_* 标志：写、force、longterm 等
  • 与 mmu_notifier 协同（设备 unmap 通知）

2.3 migrate（migrate.c）

migrate_pages / unmap_and_move：

  • 将 folio 从一组 PFN 搬到新 PFN
  • 更新 rmap PTE，flush TLB
  • 用于 NUMA balancing、memory hotplug、CMA/compaction、memory failure

2.4 hugetlb（hugetlb.c）

  • 启动预留或运行时从 buddy 分配 大页池（如 2MB）
  • hugetlbfs 文件系统 mmap 使用固定大页
  • hugetlb_cgroup.c 限制大页使用

2.5 透明大页 THP（huge_memory.c + khugepaged.c）

  • khugepaged 内核线程：扫描匿名 VMA，合并为 PMD 大页
  • fault 路径 create_huge_pmd（04 文档）
  • sysfs /sys/kernel/mm/transparent_hugepage

2.6 shmem（shmem.c）

  • tmpfs、ashmem、memfd 底层
  • 基于 shmemfs 的 page cache + swap 支持
  • shmem_mmap、写时复制、锁页

2.7 memfd（memfd.c）

  • memfd_create：匿名 sealed 内存 fd
  • 与 shmem 集成，Android 共享内存常用

2.8 KSM（ksm.c）

  • 扫描匿名页内容，合并相同页 为一份只读共享
  • 写时拆分；虚拟机去重场景多，嵌入式较少开

2.9 userfaultfd（userfaultfd.c）

  • 用户注册 缺页 / 迁移 处理
  • QEMU live migration、用户态 pager

2.10 HMM（hmm.c）

  • GPU 等设备与进程地址空间 镜像、迁移设备页

2.11 DAMON（damon/）

  • 监控访问频率，模块可做 reclaim、lru_sort 等策略实验

2.12 其它

文件 说明
memory_hotplug.c 内存热插拔
memory-failure.c 硬件错误页隔离
secretmem.c 加密内存（若启用）
memremap.c ZONE_DEVICE 持久内存

三、各机制对照表

机制 CONFIG 主要 API
vmalloc 内置 vmalloc, vfree
GUP 内置 get_user_pages
migrate CONFIG_MIGRATION migrate_pages
hugetlb CONFIG_HUGETLBFS hugetlb_alloc
THP CONFIG_TRANSPARENT_HUGEPAGE khugepaged
shmem 内置 shmemfs
memfd CONFIG_MEMFD_CREATE memfd_create
KSM CONFIG_KSM ksmd
userfaultfd CONFIG_USERFAULTFD userfaultfd
HMM CONFIG_HMM_MIRROR hmm API
DAMON CONFIG_DAMON debugfs/sysfs

四、RK3588 平台说明

机制 RK 相关性
GUP / dmabuf 编解码 buffer 与用户空间共享
CMA + migrate 09/07 文档，大块 buffer
THP 可选，匿名大堆可能降 TLB miss
shmem/memfd Android 图形 buffer、共享内存
hugetlb 一般不用，除非专用性能调优
KSM 嵌入式少见
DAMON 调试/研究用途

五、调试与观测

机制 观测
THP /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
hugetlb /proc/meminfo HugePages_*
KSM /sys/kernel/mm/ksm/*
DAMON CONFIG_DAMON debugfs

附录：源码索引

主题 文件
vmalloc vmalloc.c
GUP gup.c
migrate migrate.c
hugetlb hugetlb.c
THP huge_memory.c, khugepaged.c
shmem shmem.c
memfd memfd.c

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