引导期内存机制与实现详解

源码路径：rk3588/kernel-6.1/mm/memblock.c、sparse.c、init-mm.c、mm_init.c
内核版本：Linux 6.1（RK3588 / ARM64）
文档目录：linuxDoc/mm/

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目录

• 一、原理
• 二、实现方式
• 三、关键数据结构与接口
• 四、RK3588 平台说明
• 五、调试与观测
• 附录：源码索引

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一、原理

1.1 为什么需要 memblock

内核启动早期，伙伴分配器（buddy） 与 SLUB 尚未初始化，但架构代码、设备树解析、CMA 预留等已经需要“分配/保留”物理地址范围。此时使用 memblock 作为临时分配器：

• 将系统视为若干 连续物理区间（region）
• 区分 可用内存（memory） 与 已保留（reserved）
• 只做 线性遍历与合并，不做细粒度 free list

1.2 从 memblock 到 buddy 的过渡

1.3 稀疏内存（SPARSEMEM）

ARM64 通常启用 CONFIG_SPARSEMEM：物理内存按 section 分段，只为实际存在的 section 分配 struct page 数组，避免为空洞内存浪费静态数组。

可选 CONFIG_SPARSEMEM_VMEMMAP：用虚拟映射的 vmemmap 降低元数据占用。

1.4 init_mm

全局 init_mm 是内核初始地址空间（swapper_pg_dir），所有内核线程在借用用户 mm 之前依赖它；与用户进程的 mm_struct 分离。

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二、实现方式

2.1 memblock 核心结构

memblock.c 维护：

类型	变量	含义
memory	memblock.memory	内核可见 RAM
reserved	memblock.reserved	已保留（内核镜像、DTB、initrd、CMA 等）
physmem	physmem（可选）	实际物理内存视图

每个 region 为 struct memblock_region { base, size, flags, nid }。

2.2 登记与保留 API

函数	作用
memblock_add() / memblock_add_node()	添加可用内存
memblock_reserve()	标记保留，不再作为可分配 RAM
memblock_remove()	移除某段 memory
memblock_alloc()	早期从 memory 中切一块（仍非 buddy）

架构在 setup_arch() 中解析 DT 后调用 memblock_add；reserved-memory 节点对应 memblock_reserve。

2.3 释放给 buddy：memblock_free_all()

void __init memblock_free_all(void)
{
	unsigned long pages;

	free_unused_memmap();
	reset_all_zones_managed_pages();

	pages = free_low_memory_core_early();
	totalram_pages_add(pages);
}

流程要点：

1. free_unused_memmap()：释放未使用 section 的 memmap 浪费
2. reset_all_zones_managed_pages()：同步 zone 的 managed_pages
3. free_low_memory_core_early()：遍历 memory region，对非保留页调用 __free_pages_memory()，页进入伙伴系统

之后 memblock_discard() 可丢弃 memblock 内部数据结构（仅保留 debugfs 需要时）。

2.4 sparse_init

sparse.c 中 sparse_init()：

• 为每个 online section 调用 sparse_init_one_section()
• 建立 pfn ↔ struct page 映射
• 与 pfn_valid()、NODE_DATA() 等后续 MM API 衔接

2.5 free_area_init 与 page_alloc_init

在 page_alloc.c：

• free_area_init(max_zone_pfn)：按 zone 切分 PFN 范围，初始化 pg_data_t、水位线、空闲链表头
• page_alloc_init()：注册 CPU hotplug 回调，初始化 per-CPU page lists（zone_pcp_update）

2.6 mm_init.c

mm_init.c 提供 调试验证（CONFIG_DEBUG_MEMORY_INIT）：打印 zonelist、pageflags 位域布局，不参与运行时分配。

2.7 init-mm.c

静态定义 struct mm_struct init_mm，绑定 swapper_pg_dir、mmap_lock、maple tree 根等，供内核态页表操作使用。

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三、关键数据结构与接口

符号	文件	说明
memblock_add	memblock.c ~747	UMA 添加内存
memblock_reserve	memblock.c ~891	保留物理范围
memblock_free_all	memblock.c ~2279	交接 buddy
sparse_init	sparse.c ~559	稀疏 memmap
free_area_init	page_alloc.c ~8393	zone 初始化
init_mm	init-mm.c	内核 mm

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四、RK3588 平台说明

4.1 设备树与 reserved-memory

RK3588 在 DT 中常见：

• linux,cma 默认 CMA 池
• 显示/相机/VPU 专用 reserved-memory

这些在 arch/arm64 或 early boot 中转为 memblock_reserve()，在 memblock_free_all 时 不会 进入 buddy 空闲链表。

4.2 Rockchip Thunder Boot 延迟释放（本树特有）

memblock.c 含 CONFIG_ROCKCHIP_THUNDER_BOOT_DEFER_FREE_MEMBLOCK：

• 大块内存可登记到 db[]，在 defer_free_memblock 内核线程中 延迟 __free_pages_memory
• rk_defer_init_hpages() 可推迟 HighMem 区页初始化（本配置下 ARM64 通常不涉及 HighMem）
• 目的：加快快启路径，稍后再把 RAM 交给 buddy

排查启动内存问题时，注意 dmesg 中 defer_free_memblock 相关 pr_info。

4.3 ARM64 无 highmem

RK3588 64 位内核一般 不使用 highmem.c 热路径；可用内存在 ZONE_NORMAL（及 ZONE_DMA32）。

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五、调试与观测

手段	说明
CONFIG_DEBUG_FS + CONFIG_ARCH_KEEP_MEMBLOCK	debugfs /sys/kernel/debug/memblock/{memory,reserved}
启动 log	mem=、earlycon 下 memblock 区域打印
mminit_verify_zonelist	mm_init.c，需 mminit_loglevel

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附录：源码索引

主题	文件	约略行号
memblock 释放	memblock.c	2279+
RK defer free	memblock.c	2145–2204
sparse 初始化	sparse.c	559+
zone 初始化	page_alloc.c	8393+
init_mm	init-mm.c	30+