コグノスケ

Linuxのstruct pageって何

目次: Linux

以前からLinuxのページディスクリプタ（要はstruct page）って何なの？という疑問が晴れないまま居ました。特に実際のページフレームとの対応をどうやって取っているのかが全くわからん。どこかに対応が書いてあるにしては、それらしい場所がない…。

分からんながらも、機会を見つけては調べたり考えたりしていたら、なんとなーく分かった気がする。

分かった気がすることを書き散らしますが、間違っててもご勘弁下さい。自信ないです。

メモリゾーン

前提知識として簡単に説明します。Linuxではメモリ領域をゾーンという固まりで管理しています。ゾーンはページフレーム（普通は4KBのメモリ領域）をいくつかまとめた固まりです。ページフレームがずらーっと並んでいるようなイメージ。

厳密にはもっと書くべきことがあるのでしょうが、今回はこのくらいの理解で進めるはず。たぶん。

ページディスクリプタとページフレーム

では本題に入ります。
まず私の疑問点は「ページディスクリプタ（以下、struct page）のポインタをもらったとき、どうやって対応するページフレームを得るのか？」です。

ここでstruct pageのメンバに直接書いてあれば話は早いのですが、struct pageにページフレーム番号を示す情報などはありません。残念。

実はstruct pageは中身も大事ですが、ポインタ値が非常に重要な意味を持ちます。というのも実メモリのページフレームとの対応を取るために、ポインタの計算を行うからです。計算についてはまた説明します。

ページフレームを求めるためには、
ページディスクリプタ -> ゾーン -> ページフレーム
の順に求めます。まどろこしいですが、直接求められないのです。

ページディスクリプタ -> ゾーン

ページディスクリプタが対応するページフレーム、こいつが属するゾーンを求めます。自分でも何言ってるのかわかんないけど、まあいいや。

まずstruct pageにpage_flags_t flagsというメンバを見ます。こいつはその名の通りページの属性や状態を示すフラグを格納する変数なのですが、上位3ビット（または8ビット）だけは意味が違っていて（※1）、このページが所属するゾーンを表す数値が入っています。

なのでflags >> NODEZONE_SHIFTによってページが何番目のゾーンに所属しているのかがわかります。例えば1だとしたら、ゾーンの配列zone_table[1]（グローバル変数）を見ればゾーンの情報が見られます（※2）。

（※1）不思議な設計に見えますが、むやみにメンバを増やすとstruct pageだけで相当量のメモリを圧迫（struct pageはページフレームの数だけ存在する）してしまいます。

（※2）最近のLinuxではゾーンの一覧（zone_table）はグローバル配列ではありません。struct pglist_dataという構造体（ゾーンが必要ならnode_dataというグローバル配列（アーキテクチャ依存）、ゾーンが不要ならcontig_page_dataという変数）経由でゾーンを見るようになっています。ゾーンが要らないというアーキテクチャを考慮したのでしょう。

ページディスクリプタ＆ゾーン -> ページフレーム

長くなってきましたが、本題のページフレームの求め方に行きます。先ほど苦労して求めたゾーンにはzone_mem_mapというメンバが居て、ゾーンに属するstruct pageの一覧を持っています（※3）。

ゾーンのzone_mem_mapのイメージ

上の絵で注目して欲しいのはzone_mem_mapと、ページディスクリプタのポインタ（pとします）がわかれば、zone_mem_mapの何番目にpが存在しているかわかるということです。上の絵では5番目に位置しています。

薄い水色の四角内で具体的な数値（数値は適当ですが）を当てはめてpのアドレスからzone_mem_mapのアドレスを引くことで、pがzone_mem_mapの何番目にいるか求められる様子を示しています。

ページフレームを求める

これでstruct pageがゾーンの先頭から何番目のページなのかがわかりました。あとはページフレームを求めるだけです。ゾーンの構造体のメンバzone_start_pfnがゾーンの開始ページフレーム番号を表しているので、そこへ先ほどの数字（5）を足します。

これにてstruct pageと対応するページフレームが求められました。

もし物理アドレスに興味があるのならば、ページフレームの番号にページフレームのサイズ（普通は4KBのはず）を掛けてあげればよいです。
高位メモリや非連続なメモリモデルを持つアーキテクチャだと、単純に掛けるだけではダメかもしれません。

（※3）最近のLinuxにはありません。恐らくzone_pgdat->node_mem_mapが等価だと思われます。たぶん…。