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mem_map和mem_section的区别

在内核的内存管理中，mem_map 和 mem_section 是两种不同的机制，主要用于管理物理页（struct page）的映射。它们的区别主要体现在内存模型、适用场景和实现方式上：

1. mem_map

定义：
mem_map 是一个全局的 struct page 数组，直接映射所有物理内存的页帧。每个物理页面对应数组中的一个元素。
内存模型：
用于 平坦内存模型（Flat Memory Model） 或旧版本内核的连续内存管理。
特点：
- 简单直接：物理地址通过简单偏移计算即可转换为 mem_map 的索引。
- 连续内存假设：假设物理内存是连续的，适用于小内存或物理地址无空洞的场景。
- 内存浪费：若物理内存存在空洞（如 NUMA 或预留内存），mem_map 仍会为空洞分配 struct page 条目，导致空间浪费。
访问方式：
通过物理地址计算索引（例如：pfn = phys_addr >> PAGE_SHIFT，page = &mem_map[pfn]）。

2. mem_section

定义：
mem_section 是 稀疏内存模型（Sparse Memory Model） 的核心结构，将物理内存划分为多个段（Section），每个段管理自己的 struct page 数组。
内存模型：
用于稀疏内存模型（CONFIG_SPARSEMEM），支持非连续物理内存。
特点：
- 灵活高效：按需分配 struct page 数组，仅对实际存在的内存区域分配内存，避免空洞造成的浪费。
- 支持大内存：适用于物理内存分散或巨大的系统（如 TB 级内存）。
- 多级查找：物理地址需先定位到对应的 mem_section，再在段内找到 struct page。
访问方式：
1. 根据物理地址计算段号（Section Number）。
2. 通过全局 mem_section 数组找到对应的段。
3. 在段内的 page 数组中定位具体页结构。

对比总结

特性	mem_map	mem_section
内存模型	平坦内存模型（连续内存）	稀疏内存模型（支持非连续内存）
适用场景	小内存、物理地址连续	大内存、物理地址稀疏或非连续
数据结构	全局连续数组	分段管理，每段独立 `page` 数组
内存开销	可能浪费（为空洞分配条目）	按需分配，节省内存
物理地址转换	直接偏移计算	多级查找（段号 + 段内偏移）
内核配置选项	默认在非稀疏模型中启用	`CONFIG_SPARSEMEM`

演进背景

mem_map 的局限性：
随着内存容量增长和 NUMA 架构普及，物理内存常呈现非连续特性，导致 mem_map 浪费严重。
mem_section 的优势：
稀疏模型通过分段管理，动态分配 struct page 内存，显著减少内存开销，成为现代内核（尤其是大内存系统）的默认选择。

代码示例

// mem_map 的访问（平坦模型）
struct page *get_page_from_mem_map(unsigned long phys_addr) {
    unsigned long pfn = phys_addr >> PAGE_SHIFT;
    return &mem_map[pfn];
}

// mem_section 的访问（稀疏模型）
struct page *get_page_from_mem_section(unsigned long phys_addr) {
    unsigned long section_nr = (phys_addr >> SECTION_SIZE_BITS);
    struct mem_section *section = &mem_section[section_nr];
    unsigned long pfn_offset = (phys_addr & SECTION_MASK) >> PAGE_SHIFT;
    return section->page[pfn_offset];
}

结论

mem_map 适用于简单、连续的物理内存管理，但在现代系统中逐渐被淘汰。
mem_section 通过稀疏模型解决了大内存和非连续内存的管理问题，是当前内核的主流方案。