NUMA-03 页是怎么在 node 间搬家的：内核 NUMA 与页迁移机制

NUMA一段内存到底在哪个 node用户态 NUMA 编程接口在用户态调move_pages把页迁到某个 node一行就返回了。但内核里到底发生了什么“目标 node” 这个参数又是怎么一路传下去、最终决定新页落在哪的这一章把这条链路走一遍。1. 内核怎么描述 NUMA 拓扑1.1 每个 node 一个pg_data_t内核给每个 NUMA node 维护一个pg_data_ttypedef 自struct pglist_data里面挂着这个 node 的所有物理页、空闲链表、回收水位线等。通过NODE_DATA(nid)就能拿到第nid个 node 的这个结构。可以把它理解为“每个内存孤岛的户口本”。1.2 CPU 属于哪个 nodecpu_to_node()用户态的numa_node_of_cpu()在内核对应的是cpu_to_node()声明在include/linux/topology.h// include/linux/topology.h#ifndefcpu_to_nodestaticinlineintcpu_to_node(intcpu){returnper_cpu(numa_node,cpu);}#endif每个 CPU 有一个 per-cpu 的numa_node变量启动时由固件ACPI SRAT/SLIT填好。numa_node_id()则是“当前正在执行的 CPU 属于哪个 node”first-touch 分配就是靠它决定新页落在哪。1.3 node 之间有多远node_distance()与那个 “10”在前面文章中反复出现的 distance10它的定义就在内核里include/linux/topology.h// include/linux/topology.h#defineLOCAL_DISTANCE10#defineREMOTE_DISTANCE20#ifndefnode_distance#definenode_distance(from,to)((from)(to)?LOCAL_DISTANCE:REMOTE_DISTANCE)#endif这就是为什么cat node0/distance永远从10起步——LOCAL_DISTANCE硬编码为 10。真实机器上架构相关的node_distance()x86 是__node_distance()读固件 SLIT 表会给出更细的值比如同 socket 内12、跨 socket32。固件 ACPI 表SRAT谁属于谁 SLIT两两距离内核启动解析每 node 一个 pg_data_t每 CPU 的 numa_node距离矩阵node_distance(a,b)内核 APINODE_DATA / cpu_to_node / node_distance一句话用户态在 sysfs 看到的那些 node 与 distance本质是内核把固件表解析成pg_data_t 距离矩阵后暴露出来的。2. 普通页迁移主流程migrate_pages()2.1 从 syscall 到核心函数用户态move_pages(2)进内核后的调用链均在mm/migrate.cSYSCALL_DEFINE6(move_pages, ...) // mm/migrate.c └─ do_pages_move() // 逐页处理把要迁的页收集成 pagelist └─ migrate_pages(pagelist, alloc_migration_target, ...) // 迁移引擎 └─ alloc_migration_target() // 在“目标 node”上分配新页migrate_pages()是内核统一的迁移引擎页面规整、内存热插拔、NUMA balancing、move_pages都复用它。它本身不决定“迁到哪”而是把“怎么分配目标页”交给一个回调——这正是目标 node 进入的入口。2.2 目标 node 是怎么“决定页落点”的看回调alloc_migration_target()mm/migrate.c的关键几行*// mm/migrate.c alloc_migration_target()structmigration_target_control*mtc(void*)private;intnidmtc-nid;if(nidNUMA_NO_NODE)nidfolio_nid(src);// 没指定就落回“源页所在 node”// ... 之后用 nid 去对应 node 上分配新 foliomtc-nid就是“目标 node”。它有值新页就在那个 node 上分配它是NUMA_NO_NODE就退回源页所在 node。用户态传的nodes[i]k一路封装进mtc-nid最终在这里把页落到 node k。这条线索至关重要要让“迁回 CPU 落到最近 node”本质就是让某个nid/mtc-nid等于那个最近 node。2.3 迁移的四步骨架不论哪条路径migrate_pages()内部都是同一套四步① 隔离把源页从 LRU 摘下、锁定② 分配目标页在目标 node 上alloc_migration_target③ 拷贝重映射复制内容、迁移页表项、更新引用④ 收尾释放源页 / 失败则回滚关键点迁移期间要冻结对该页的访问通过锁和页表失效拷贝完成后把指向源页的 PTE 改指向新页。对使用者透明——虚拟地址不变物理页换了个 node。3. 设备内存迁移migrate_vma_*三段式普通migrate_pages()处理的是“普通 CPU 页 ↔ 普通 CPU 页”。但 GPU 显存是以ZONE_DEVICE形式存在的“设备私有页”下一章展开CPU 不能直接访问普通迁移引擎搬不动它。于是内核提供了一套专门的migrate_vma三段式声明在include/linux/migrate.h实现在mm/migrate_device.c。3.1 三个函数// include/linux/migrate.hintmigrate_vma_setup(structmigrate_vma*args);// 实现在 mm/migrate_device.c:735voidmigrate_vma_pages(structmigrate_vma*migrate);voidmigrate_vma_finalize(structmigrate_vma*migrate);调用顺序固定setup → 驱动填 dst → pages → finalize。migrate_vma_setup()收集源页、隔离、冻结映射填 src[] 数组驱动侧为每个源页分配目标页填入 dst[]migrate_vma_pages()逐页拷贝内容、建立新映射migrate_vma_finalize()释放源页、解冻、收尾“分配目标页、填dst[]”这一步在驱动手里——CPU→GPU 时驱动分配显存页GPU→CPU 时驱动或内核 helper分配普通 CPU 页。“迁回 CPU 该落哪个 node”正是在这一步、由分配目标页时选的 node 决定的。3.2struct migrate_vma迁移的“工单”真实结构include/linux/migrate.h// include/linux/migrate.hstructmigrate_vma{structvm_area_struct*vma;unsignedlong*dst;// 目标页 pfn 数组驱动填unsignedlong*src;// 源页 pfn 数组setup 填unsignedlongcpages;// 收集到的可迁移页数unsignedlongnpages;// 地址范围内的总页数unsignedlongstart,end;// 迁移的虚拟地址范围void*pgmap_owner;// 设备私有内存的 owner用于识别“是不是我的页”unsignedlongflags;// 方向选择见下structpage*fault_page;};flags用enum migrate_vma_direction指定迁移方向include/linux/migrate.henummigrate_vma_direction{MIGRATE_VMA_SELECT_SYSTEM10,// 选普通系统内存页MIGRATE_VMA_SELECT_DEVICE_PRIVATE11,// 选设备私有页GPU→CPU 用MIGRATE_VMA_SELECT_DEVICE_COHERENT12,MIGRATE_VMA_SELECT_COMPOUND13,};GPU 显存迁回系统内存时setup用MIGRATE_VMA_SELECT_DEVICE_PRIVATE把设备页挑出来驱动再为它们分配普通页填进dst[]——填dst[]时用哪个 node 分配就是本系列要改对的那个点。4. 内存策略在内核的落地struct mempolicy用户态的set_mempolicy/mbind在内核对应struct mempolicymm/mempolicy.cinclude/linux/mempolicy.h它记录modeBIND/PREFERRED/INTERLEAVE 等和一个nodemask。分配路径alloc_pages_*会读当前生效的 policy决定从哪个/哪些 node 拿页。mbind带MPOL_MF_MOVE时的迁移同样走migrate_pages()只是目标 node 由 policy 的nodemask给出回调alloc_migration_target_by_mpol()mm/mempolicy.c。所以“策略”和“迁移”在内核是解耦的策略负责算出目标 node迁移引擎负责把页搬过去。set_mempolicy / mbindstruct mempolicy(mode nodemask)move_pages(nodes[k])mtc-nid kmigrate_pages() 引擎在目标 node 分配新页页落点 传入的 nid把三层串起来看“目标 node”这个参数的旅程层谁指定目标 node代码锚点用户态move_pages的nodes[]/ mempolicy 的 nodemask第 02 章内核迁移引擎mtc-nid普通页/ 驱动填的dst[]设备页mm/migrate.c、mm/migrate_device.c分配落点nid NUMA_NO_NODE ? folio_nid(src) : nidalloc_migration_target()结论页落到哪个 node从头到尾由一个显式的 node id 决定没人显式指定时才退回“源页所在 node”这个默认。GPU 显存迁回 CPU 属于设备页路径第 3 节三段式落点由驱动填dst[]时选的 node 决定——这正是下一章HMM/ZONE_DEVICE和后续 KFD/DRM 分析时要深入的地方。5. 本章小结内核把固件 ACPI 表解析成pg_data_t每 nodecpu_to_node()每 CPUnode_distance()距离矩阵。distance 的10来自include/linux/topology.h的LOCAL_DISTANCE是硬编码基准。普通页迁移走migrate_pages()四步引擎目标 node 经mtc-nid传入alloc_migration_target()是决定页落点的关键一行。设备页GPU 显存迁移走migrate_vma_setup/pages/finalize三段式落点由驱动填dst[]时选的 node 决定。struct mempolicy负责“算目标 node”migrate_pages负责“搬”两者解耦。关联阅读设备页面迁移migrate_vma 三阶段操作协议