解读dmesg中的内存初始化信息

http://linuxperf.com/?p=139

2016/09/27 vmunix

Linux kernel在引导过程中会在dmesg中报告如下的内存初始化信息，其实此时引导过程并未完成，initrd和init所占的内存尚未释放，最终kernel可用的内存比dmesg报告的available内存还会更多一点。

# dmesg | grep Memory [ 0.000000] Memory: 3789320k/4915200k available (6243k kernel code, 795332k absent, 330548k reserved, 4180k data, 1604k init)

1 2	# dmesg | grep Memory [    0.000000] Memory: 3789320k/4915200k available (6243k kernel code, 795332k absent, 330548k reserved, 4180k data, 1604k init)

要理解以上信息的含义，还是看源代码吧，这条信息是在 mem_init() 函数中输出的：

void __init mem_init(void) { long codesize, reservedpages, datasize, initsize; unsigned long absent_pages; pci_iommu_alloc(); /* clear_bss() already clear the empty_zero_page */ register_page_bootmem_info(); /* this will put all memory onto the freelists */ totalram_pages = free_all_bootmem(); absent_pages = absent_pages_in_range(0, max_pfn); reservedpages = max_pfn - totalram_pages - absent_pages; after_bootmem = 1; codesize = (unsigned long) &_etext - (unsigned long) &_text; datasize = (unsigned long) &_edata - (unsigned long) &_etext; initsize = (unsigned long) &__init_end - (unsigned long) &__init_begin; /* Register memory areas for /proc/kcore */ kclist_add(&kcore_vsyscall, (void *)VSYSCALL_START, VSYSCALL_END - VSYSCALL_START, KCORE_OTHER); printk(KERN_INFO "Memory: %luk/%luk available (%ldk kernel code, " "%ldk absent, %ldk reserved, %ldk data, %ldk init)\n", nr_free_pages() << (PAGE_SHIFT-10), max_pfn << (PAGE_SHIFT-10), codesize >> 10, absent_pages << (PAGE_SHIFT-10), reservedpages << (PAGE_SHIFT-10), datasize >> 10, initsize >> 10); }

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void __init mem_init(void) {         long codesize, reservedpages, datasize, initsize;         unsigned long absent_pages;         pci_iommu_alloc();         /* clear_bss() already clear the empty_zero_page */         register_page_bootmem_info();         /* this will put all memory onto the freelists */         totalram_pages = free_all_bootmem();         absent_pages = absent_pages_in_range(0, max_pfn);         reservedpages = max_pfn - totalram_pages - absent_pages;         after_bootmem = 1;         codesize =  (unsigned long) &_etext - (unsigned long) &_text;         datasize =  (unsigned long) &_edata - (unsigned long) &_etext;         initsize =  (unsigned long) &__init_end - (unsigned long) &__init_begin;         /* Register memory areas for /proc/kcore */         kclist_add(&kcore_vsyscall, (void *)VSYSCALL_START,                          VSYSCALL_END - VSYSCALL_START, KCORE_OTHER);         printk(KERN_INFO "Memory: %luk/%luk available (%ldk kernel code, "                          "%ldk absent, %ldk reserved, %ldk data, %ldk init)\n",                 nr_free_pages() << (PAGE_SHIFT-10),                 max_pfn << (PAGE_SHIFT-10),                 codesize >> 10,                 absent_pages << (PAGE_SHIFT-10),                 reservedpages << (PAGE_SHIFT-10),                 datasize >> 10,                 initsize >> 10); }

以上代码中，free_all_bootmem()需要详细解释：在内核引导的初始阶段，buddy allocator和slab allocator等内存管理机制尚未就绪，所以使用的是bootmem allocator，到运行mem_init()的时候，bootmem的历史任务已经完成，所以调用free_all_bootmem()把它管理的内 存中未分配的部分全都释放掉。
absent_pages_in_range()用于统计物理内存中对kernel不可用的部分，因为有一些物理内存是被BIOS保留的，kernel用不了。
在全部物理内存中，除掉bootmem释放出来的空闲内存和kernel无法使用的absent内存，剩下的就是在kernel引导过程中已经分配掉的内存，称为reserved内存。Reserved内存主要包括initrd、初始化代码init、内核代码及数据（内核数据是动态变化的，这里所说的是引导阶段截至mem_init为止所产生的数据，包括存放页描述符struct page的mem_map[]数组等）。
注：initrd和初始化代码init在引导完成之后会被释放掉，所以最终的可用内存会比dmesg显示的available更多一点，相应的源代码可参见：
arch/x86/mm/init.c: free_initrd_mem() 和 free_initmem()。
在dmesg中可以看到释放时输出的日志，注意看init的大小：

# dmesg ... [ 0.000000] Memory: 3789320k/4915200k available (6243k kernel code, 795332k absent, 330548k reserved, 4180k data, 1604k init) ... [ 0.008325] Freeing SMP alternatives: 24k freed ... [ 0.541160] Freeing initrd memory: 18088k freed ... [ 0.660810] Freeing unused kernel memory: 1604k freed ...

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# dmesg ... [ 0.000000] Memory: 3789320k/4915200k available (6243k kernel code, 795332k absent, 330548k reserved, 4180k data, 1604k init) ... [ 0.008325] Freeing SMP alternatives: 24k freed ... [    0.541160] Freeing initrd memory: 18088k freed ... [    0.660810] Freeing unused kernel memory: 1604k freed ...

正因如此，最终用”free”命令看到的total memory比dmesg里看到的available memory更多，以本系统为例，”free”命令看到的total 3809036k，比dmesg看到的available memory 3789320k更多，(3809036k – 3789320k) = (24k + 18088k + 1604k)：

# free -k total used free shared buff/cache available Mem: 3809036 2473876 313400 175572 1021760 837288

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# free -k               total        used        free      shared  buff/cache   available Mem:        3809036     2473876      313400      175572     1021760      837288

注：关于reserved memory的更多详情可参见链接中的表1：
http://www.tldp.org/LDP/khg/HyperNews/get/memory/linuxmm.html
所以内存初始化信息的解读如下：

• 3789320k/4915200k available：
  分母4915200k表示物理内存的大小，
  分子3789320k表示可供kernel分配的 free memory的大小；
• 795332k absent：
  表示不可用的物理内存大小。譬如有一些物理内存被BIOS保留、对kernel是不可用的，这部分物理内存被计入”absent”之中。
• 330548k reserved：
  包括【initrd】和【内核代码及数据】等，详见上面的解释。其中内核代码和部分数据包含在下列统计值中：
  • 6243k kernel code ：
    表示kernel的代码，属于reserved memory；
  • 4180k data ：
    表示kernel的数据，属于reserved memory；
  • 1604k init ：
    表示init code和init data，属于reserved memory，但引导完成之后会释放给free memory。

它们之间的关系如下：

• available = 物理内存 – absent – reserved
• reserved 包括 kernel code, data 和 init，由于它还包括initrd和其它更多的内容，所以reserved远远大于 kernel code + data + init 之和。

参考资料：
http://winfred-lu.blogspot.com/2011/03/linux-boot-memory-allocator-mips.html