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_t（typedef 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 node：cpu_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。

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.c）：

SYSCALL_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;intnid=mtc->nid;if(nid==NUMA_NO_NODE)nid=folio_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 folio

mtc->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：

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。

“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.h）：

enummigrate_vma_direction{MIGRATE_VMA_SELECT_SYSTEM=1<<0,// 选普通系统内存页MIGRATE_VMA_SELECT_DEVICE_PRIVATE=1<<1,// 选设备私有页（GPU→CPU 用）MIGRATE_VMA_SELECT_DEVICE_COHERENT=1<<2,MIGRATE_VMA_SELECT_COMPOUND=1<<3,};

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 mempolicy（mm/mempolicy.c+include/linux/mempolicy.h），它记录mode（BIND/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。

把三层串起来看“目标 node”这个参数的旅程：

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 node）+cpu_to_node()（每 CPU）+node_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。

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• 设备页面迁移：migrate_vma 三阶段操作协议