4. memblock_add 与 memblock_reserve：内存添加与预留接口的底层实现

在 Linux 内核早期启动阶段，memblock 分配器负责管理物理内存的初始布局。memblock_add() 和 memblock_reserve() 是两个最核心的接口：前者向分配器注册可用物理内存区域，后者将特定区域标记为已占用，防止被后续分配覆盖。理解这两个接口的底层实现，是掌握内核内存初始化流程的关键。

4.1 接口语义与调用场景

两个接口在语义上存在本质区别，调用时机也截然不同：

4.2 核心数据结构：memblock_type

两个接口最终操作的是同一个全局变量 memblock，其内部维护两个 memblock_type 数组：

struct memblock {
    bool bottom_up;                  /* 分配方向：true 从低地址开始 */
    phys_addr_t current_limit;       /* 分配上限地址 */
    struct memblock_type memory;     /* 可用物理内存区域列表 */
    struct memblock_type reserved;   /* 预留内存区域列表 */
};

struct memblock_type {
    unsigned long cnt;               /* 当前有效区域数量 */
    unsigned long max;               /* 数组容量 */
    phys_addr_t total_size;          /* 所有区域总大小 */
    struct memblock_region *regions; /* 区域数组指针 */
    char *name;                      /* 调试用名称 */
};

每个 memblock_region 描述一段连续的物理地址区间：

struct memblock_region {
    phys_addr_t base;   /* 起始物理地址 */
    phys_addr_t size;   /* 区域大小 */
    enum memblock_flags flags; /* 属性标志，如 MEMBLOCK_NOMAP */
};

4.3 memblock_add() 实现流程

memblock_add() 的核心逻辑是向 memblock.memory 列表插入一个新区域，并自动执行合并相邻区域操作。其简化实现路径如下：

1. 参数校验：检查 base 和 size 是否对齐、是否溢出。
2. 调用底层添加函数：memblock_add_range(&memblock.memory, base, size, ...)。
3. 区域插入与合并：遍历现有 regions 数组，找到插入位置；如果新区与已有区域相邻或重叠，则合并为一个连续区域。
4. 数组扩容：如果 regions 数组已满，调用 memblock_double_array() 动态扩展容量。
5. 更新 total_size：累加新增的有效内存大小。

4.4 memblock_reserve() 实现流程

memblock_reserve() 的实现与 memblock_add() 高度对称，区别在于操作的目标是 memblock.reserved 列表：

int __init_memblock memblock_reserve(phys_addr_t base, phys_addr_t size)
{
    phys_addr_t end = base + size - 1;

    /* 确保地址不溢出 */
    if (end < base)
        return -EOVERFLOW;

    /* 调用底层添加函数，目标为 reserved 列表 */
    return memblock_add_range(&memblock.reserved, base, size, ...);
}

预留操作同样支持区域合并。例如，连续两次调用 memblock_reserve(0x1000, 0x1000) 和 memblock_reserve(0x2000, 0x1000)，如果中间无间隙，最终 reserved 列表中将只包含一个 [0x1000, 0x3000) 的合并区域。

4.5 区域合并与数组扩容的 SVG 流程图

下图展示了 memblock_add() 在插入新区间时，如何执行区域合并与数组扩容决策：

4.6 数组动态扩容机制

当 memblock.memory 或 memblock.reserved 的 regions 数组容量不足时，memblock_double_array() 会被触发。该函数执行以下步骤：

1. 计算新容量：将当前 max 值翻倍（至少为 INIT_MEMBLOCK_REGIONS 的 2 倍）。
2. 分配新内存：调用 memblock_alloc_base() 从 memblock 自身分配一块新内存用于存放更大的 regions 数组。
3. 数据拷贝：将旧数组内容逐项拷贝到新数组。
4. 指针切换：更新 memblock_type->regions 指向新数组，释放旧数组（如果旧数组不是静态初始化的）。

4.7 调试与故障定位技巧

在实际开发中，memblock_add() 和 memblock_reserve() 相关故障通常表现为内存区域丢失或预留冲突。以下是常用的调试手段：

4.8 接口调用顺序与初始化流程

在系统启动过程中，memblock_add() 和 memblock_reserve() 的调用顺序至关重要：

start_kernel()
  └─ setup_arch()
       ├─ 解析设备树 / e820 表
       ├─ memblock_add()          // 注册所有可用物理内存
       ├─ 内核镜像解压与重定位
       ├─ memblock_reserve()      // 保护内核镜像所在区域
       ├─ 页表初始化
       ├─ memblock_reserve()      // 保护页表内存
       ├─ 其他早期驱动初始化
       │    └─ memblock_reserve() // 保护硬件专用内存
       └─ paging_init()
            └─ 最终 memblock 分配器移交给 buddy