--- title: 物理メモリ管理 url: https://doc.liz6.com/ja/linux-kernel/02-memory-management/03-physical-memory-management locale: ja area: linux-kernel tags: - linux-kernel - memory-management date: 2026-06-30 modified: 2026-07-16 description: 'カバー範囲: NUMA → Zone (DMA/DMA32/Normal/Movable) → Buddy Allocator → page allocator API → page struct → memory hotplug。カーネルバージョン: 2.6 ~ 6.x' --- # 物理メモリ管理 > カバー範囲: NUMA → Zone (DMA/DMA32/Normal/Movable) → Buddy Allocator → page allocator API → page struct → memory hotplug > カーネルバージョン: 2.6 ~ 6.x ## 概要 仮想メモリ管理は「どの仮想アドレスがどの物理ページにマッピングされるか」に答えるのに対し、物理メモリ管理はより低レベルな問題を扱います。**「この 4KB の物理ページは誰に属し、空闲か割り当て済みか、どの NUMA ノードから取得すべきか？」** 物理メモリ管理の中核は **buddy allocator**（ペアアルゴリズム）です。これは空闲ページを異なるオーダ（order）の連続ブロックとして整理し、分割と結合によって効率的な割り当てと解放を実現します。buddy の上位には slab/slub（小オブジェクト用アロケータ）があり、下位には NUMA 対応の zone およびノードトポロジーが存在します。 --- ## NUMA アーキテクチャ ``` UMA (Uniform Memory Access): 全 CPU が全メモリにアクセスするレイテンシが同一 典型: 単ソケット、デスクトップ NUMA (Non-Uniform Memory Access): メモリは複数のノードに分割される 各 CPU にはローカルメモリがあり（高速アクセス）、 リモートメモリへのアクセスは遅い（30%〜40%遅延） 典型: 複数ソケットサーバー 確認方法: numactl --hardware ls /sys/devices/system/node/ ``` ### pg_data_t: NUMA ノード記述子 ```c // include/linux/mmzone.h typedef struct pglist_data { struct zone node_zones[MAX_NR_ZONES]; struct zonelist node_zonelists[MAX_ZONELISTS]; // アロケーションのフォールバック順序 int nr_zones; unsigned long node_start_pfn; // 開始物理ページ番号 unsigned long node_present_pages; unsigned long node_spanned_pages; int node_id; struct page *node_mem_map; // このノード内の全 page struct の配列 // リクライム struct lruvec lruvec; // LRU リスト（匿名/ファイル） wait_queue_head_t kcompactd_wait; // 統計情報 struct per_cpu_nodestat *per_cpu_nodestats; } pg_data_t; ``` --- ## Zone: 物理メモリの分区 ### Zone が必要な理由 ``` Zone が存在する根本的な理由: ハードウェアの制約により、特定の物理メモリは 特定の目的には使用できないため 16-bit ISA DMA: 物理アドレス 0〜16MB しかアクセス不可 32-bit PCI DMA: 0〜4GB しかアクセス不可（IOMMU なしの場合） 32-bit カーネル: 896MB までしか直接マッピングできない（highmem） 64-bit: highmem は存在しないが、zone 構造は DMA/DMA32 の制約を維持 ``` ### Zone の種類 ```c // include/linux/mmzone.h enum zone_type { ZONE_DMA, // 0-16MB: ISA DMA ZONE_DMA32, // 0-4GB: 32-bit PCI DMA ZONE_NORMAL, // 直接マッピング（カーネルが直接アクセス可能、線形マッピング） ZONE_HIGHMEM, // 32-bit のみ: 動的マッピング（64-bit ではこの zone は存在しない） ZONE_MOVABLE, // 移動可能なページ（メモリ断片化対策/ホットプラグ用） ZONE_DEVICE, // PMEM / GPU VRAM / CXL __MAX_NR_ZONES }; ``` ### struct zone ```c // include/linux/mmzone.h struct zone { unsigned long _watermark[NR_WMARK]; // low, min, high の水位線 unsigned long managed_pages; // buddy が管理するページ数 unsigned long spanned_pages; unsigned long present_pages; // Per-CPU pagesets（ホットな単一ページをキャッシュし、zone lock の取得を回避） struct per_cpu_pages pcp; // Buddy の空闲リスト struct free_area free_area[MAX_ORDER]; // order 0〜10 // LRU（匿名/ファイル） struct lruvec lruvec; // ロック: free_area を保護 spinlock_t lock; }; ``` ### 水位線（Watermarks）とメモリ圧力 Watermarks: 3つの水位線が異なる強度のリクライムをトリガー pages 0 high high 水位 kswapd が起動し、バックグラウンドリクライムを開始 low low 水位 カーネルによる直接リクライム（同期、割り当てブロック） min min 水位 緊急割り当てのみがこのラインを突破可能 水位は高い方から低い方へ段階的に警告を発する: high を下回ると → kswapd によるバックグラウンド非同期リクライム; low を下回ると → カーネルによる同期直接リクライム（割り当てブロック）; min を下回ると → 緊急割り当てのみが突破可能、メモリ枯渇の境界に迫る。 ```c // アロケーション時の watermark チェック: // zone_watermark_ok(zone, order, mark, classzone_idx, alloc_flags) // zone の空闲ページが order 分の割り当てを満たし、mark 以下にならないか計算 // 不十分の場合 → リクライムをトリガー（kswapd または direct reclaim） ``` --- ## Buddy Allocator ### データ構造 ```c // mm/page_alloc.c // 各 zone の各 order ごとに free_area が存在 // free_area[order]: 2^order ページサイズの空闲ブロックのリスト #define MAX_ORDER 11 // 通常: 最大 2^10 = 4MB 連続（1024 × 4KB） struct free_area { struct list_head free_list[MIGRATE_TYPES]; // 移行タイプ別に分類 unsigned long nr_free; // この order の空闲ブロック数 }; // 移行タイプ（断片化対策）: enum migratetype { MIGRATE_UNMOVABLE, // カーネルデータ構造（移動不可） MIGRATE_MOVABLE, // ユーザーページ（移動可能 → 断片化対策） MIGRATE_RECLAIMABLE,// リクライム可能（例: inode cache） MIGRATE_PCPTYPES, // Per-CPU 用予約 MIGRATE_HIGHATOMIC, // 高原子性アロケーション（緊急用） MIGRATE_CMA, // Contiguous Memory Allocator MIGRATE_ISOLATE, // 隔離（memory hotplug / compaction） }; ``` ### コアアルゴリズム ```c // アロケーション: // alloc_pages(gfp_mask, order) → __alloc_pages() // → get_page_from_freelist() // 適切な zone から割り当てを試みる // → rmqueue() // buddy の free_area から取得 // → __rmqueue_smallest() // order 以上の最小空闲ブロックを検索 // → expand() // 見つかったブロックが必要より大きい場合 → 分割 // 余剰部分を buddy の free_area に戻す // 例: order=1（2ページ = 8KB）を要求 // free_area[2] に 16KB の空闲がある場合 → expand(): // → order 0〜1 の最初の 8KB を呼び出し元に割り当て // → 残りの 8KB を free_area[1] に格納 // 解放: // free_pages(addr, order) → __free_pages() // → __free_one_page() // → buddy（相手側ブロック）も空闲か確認 // → buddy が空闲の場合 → order+1 のブロックに結合 → 再帰的に結合 // → buddy が空闲でない場合 → 対応する order の free_area に格納 // Buddy チェック: // buddy_pfn = page_pfn ^ (1 << order) // XOR: buddy の PFN // buddy も空闲で同じ order なら → 結合 ``` ### GFP フラグ ```c // include/linux/gfp_types.h // アロケーション動作の制御: // Zone モディファイア: #define __GFP_DMA // ZONE_DMA から割り当て #define __GFP_DMA32 // ZONE_DMA32 から割り当て #define __GFP_HIGHMEM // HIGHMEM からの割り当てを許可（32-bit のみ） #define __GFP_MOVABLE // 移動可能なタイプで割り当て // Watermark モディファイア: #define __GFP_ATOMIC // 高優先度、emergency reserves を使用可能 #define __GFP_HIGH // emergency reserves を使用可能 #define __GFP_MEMALLOC // ALLOC_NO_WATERMARKS を許可（極めて緊急） // Reclaim モディファイア: #define __GFP_IO // IO を許可（スワップへの書き戻し） #define __GFP_FS // ファイルシステム操作を許可（inode cache のクリアなど） #define __GFP_DIRECT_RECLAIM // 同期リクライムを許可 #define __GFP_RECLAIM // __GFP_DIRECT_RECLAIM の新名称 #define __GFP_NORETRY // リトライしない // 一般的な組み合わせ: #define GFP_KERNEL (__GFP_RECLAIM | __GFP_IO | __GFP_FS) // 最も一般的: スリープ/リクライム/IO を許可 #define GFP_ATOMIC (__GFP_HIGH) // スリープ不可: 割り込み/atomic コンテキスト用 #define GFP_USER (__GFP_RECLAIM | __GFP_IO | __GFP_FS | __GFP_HARDWALL) // ユーザー空間での割り当て #define GFP_NOWAIT (0) // 待たない: 割り当て失敗時に即座に NULL を返す ``` ### Per-CPU Pages (PCP) ```c // mm/page_alloc.c // 各 CPU には per-CPU の 1ページキャッシュ（struct per_cpu_pages）が存在 // // なぜ必要か? // 単一ページの割り当て（order 0）は最も一般的な操作 // 毎回 zone->lock（グローバルロック）を取得すると → ロック競合が深刻 // PCP は L1 キャッシュとして機能: ローカルにバッチでページをプリフェッチ // → alloc: PCP にあれば → 直接取得（ロック不要） // PCP が空の場合 → buddy からバッチ取得（zone lock を1回取得） // → free: PCP が満杯でない場合 → PCP に戻す（ロック不要） // PCP が満杯の場合 → buddy に戻す（zone lock を1回取得） // // 設計思想: バッチ処理によりロックオーバーヘッドを分散 ``` --- ## struct page ```c // include/linux/mm_types.h // 各物理ページには struct page が1つ対応（4KB ページに対して 64バイト → 約1.5%のオーバーヘッド） struct page { unsigned long flags; // ページフラグ（PG_locked, PG_dirty, PG_uptodate, ...） union { // buddy allocator 内: リストノード struct list_head lru; // slab 内: slab 情報 struct slab *slab_cache; // compound page のヘッドとして: テールページの数 unsigned long compound_head; }; union { atomic_t _mapcount; // PTE によってマッピングされている数 atomic_t _refcount; // 引用カウント（get_page/put_page） }; // address_space へのポインタ（このページが page cache の一部の場合） struct address_space *mapping; pgoff_t index; // mapping 内のオフセット // 固有データ（用途に応じて解釈）: // 匿名ページ: anon_vma // slab: slab 情報 // buffer: buffer_head void *private; }; ``` `struct page` は過負荷のかかった構造体です——ページの用途（buddy 空闲、slab、匿名メモリ、page cache、THP compound）によって、同じフィールドが異なる意味を持ちます。カーネルは `flags` 内のビットを使用してこれを区別します。 --- ## Memory Hotplug ```c // mm/memory_hotplug.c // 物理メモリの追加/削除: // online: add_memory() → __add_memory() → page struct の初期化 → buddy への登録 // offline: remove_memory() → __remove_memory() → 使用中のページを移行 → buddy からの解除 // DIMM (NVDIMM/CXL): // ZONE_DEVICE として構成可能（buddy 管理外） // または通常のメモリ（ZONE_NORMAL）として構成し、buddy によって割り当て可能 ``` --- ## デバッグ ```bash # Buddy allocator の状態 cat /proc/buddyinfo # Node 0, zone Normal: 11 4 2 1 0 0 ... # order 0: 11 blocks（4KB ページとして 44KB 空闲） # order 1: 4 blocks （8KB チャンクとして 32KB 空闲） # Zone 情報 cat /proc/zoneinfo # 含まれる情報: per-zone 水位線、空闲ページ、保護情報 # NUMA 統計 numastat # ノード別アロケーション/ミス統計 # メモリ断片化指数 cat /sys/kernel/debug/extfrag/unusable_index # 1.000 = 完全に断片化しており、連続ページを割り当て不可 # 0.000 = 断片化なし # トリガーされたリクライムの統計 cat /proc/vmstat | grep -E 'pgsteal|pgscan|compact' ``` --- ## 参考と拡張 - **カーネルドキュメント**: `Documentation/mm/page_alloc.rst`, `Documentation/admin-guide/sysctl/vm.rst` - **LWN**: - "The design of the buddy allocator" (lwn.net/Articles/259832/) - "Memory management APIs" シリーズ - **ソースファイル**: - `mm/page_alloc.c` — buddy allocator（約7000行） - `include/linux/mmzone.h` — zone, pg_data_t, free_area - `include/linux/mm_types.h` — struct page - `include/linux/gfp_types.h` — GFP フラグ --- *キーワード: NUMA, Zone, Buddy Allocator, GFP_KERNEL, GFP_ATOMIC, struct page, watermark, kswapd, memory hotplug, compaction*