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专栏导读：为什么需要从 MM 理解 HMM

news 2026/5/22 5:23:13

一个真实的困境

假设你是一个 GPU 计算框架的开发者。用户写了这样一段代码：

float*data=malloc(1GB);// ... 填充数据 ...gpu_kernel<<<grid,block>>>(data);// 希望 GPU 直接访问 data

在传统编程模型下，这不可能工作——GPU 有自己的显存（VRAM），CPU 的malloc返回的指针对 GPU 毫无意义。程序员必须手动管理数据搬移：

//h:host, d:device. 就是我们常说的 h2d,d2hfloat*h_data=malloc(1GB);// CPU 内存float*d_data=gpu_malloc(1GB);// GPU 显存memcpy_to_gpu(d_data,h_data,1GB);// 显式拷贝gpu_kernel<<<grid,block>>>(d_data);// 用 GPU 指针memcpy_from_gpu(h_data,d_data,1GB);// 拷贝回来

这套"显式拷贝"模型有几个致命问题：

编程复杂度高— 程序员必须手动管理两套指针和数据一致性
无法处理指针追踪— 如果数据结构包含指针（链表、树），拷贝后指针全部失效
过度拷贝— 无法知道 GPU 实际会访问哪些页面，只能全量拷贝
与系统接口不兼容—fork()、mmap()、信号处理等都可能修改地址空间，驱动无从得知

理想状态是：CPU 和 GPU 共享同一个虚拟地址空间，指针在两边通用，数据按需自动迁移。

这就是 HMM 要解决的问题。

什么是 HMM

HMM（Heterogeneous Memory Management）是 Linux 内核内存管理子系统的一组扩展，它让设备（GPU、FPGA、SmartNIC 等）能够：

镜像进程页表— 设备维护一份与 CPU 一致的地址映射，进程用同一个虚拟地址在 CPU 和设备间通信
感知页表变化— CPU 侧的munmap、mremap、COW 等操作会自动通知设备更新映射
双向迁移页面— 页面可以在 CPU RAM 和设备内存之间按需迁移，对应用透明
让设备内存参与内核框架— 设备内存拥有struct page，可以被内核的迁移、回收等框架管理

HMM不是一个独立的子系统，而是对现有 MM 机制的一系列精准扩展。它的代码量很小（核心仅 ~700 行），但它依赖的基础设施横跨整个 MM。

为什么必须从 MM 理解 HMM

很多开发者试图直接阅读mm/hmm.c，然后迅速迷失——因为 HMM 的每一行代码都在调用 MM 的底层接口：

HMM 做的事	依赖的 MM 基础设施
遍历进程页表获取物理地址	五级页表结构、`walk_page_range()`框架
解码"页面在设备内存中"	非驻留 PTE 编码（device private entry）
保持设备映射与 CPU 一致	MMU Notifier 序列号协议
迁移页面到设备内存	`migrate_vma*()`三阶段迁移框架
让设备内存有 struct page	ZONE_DEVICE、`dev_pagemap`
代替设备触发缺页	`handle_mm_fault()`+`FAULT_FLAG_REMOTE`

如果你不理解这些基础设施，HMM 的代码就是一堆无法解读的函数调用。反过来，如果你沿着 MM 的进化脉络学习，HMM 的每个设计决策都变得顺理成章。

MM 的进化脉络

Linux MM 并非一开始就具备管理设备内存的能力。它是随着硬件需求的变化，一步步进化而来的：

注意每一步进化都是在前一步的基础上扩展，而非推倒重来：

mmu_notifier最初是为 KVM 设计的，HMM 直接复用它来通知设备
migrate_pages()最初是为 NUMA 均衡设计的，HMM 扩展出migrate_vma*()支持设备迁移
swap entry编码最初只有 swap 和 migration 两种，HMM 新增了 device private/exclusive entry

HMM 的设计哲学就是"复用而非重造"。这也是为什么理解 MM 基础是掌握 HMM 的必经之路。

硬件背景：谁在用 HMM

GPU（主要消费者）

厂商	驱动	HMM 使用方式
AMD	amdgpu / KFD	`hmm_range_fault()`+`migrate_vma*()`实现 SVM（ROCm）
Intel	Xe	通过`drm_gpusvm`框架使用 HMM
NVIDIA	Nouveau（开源）	`nouveau_svm`使用 HMM 做 SVM

CXL 设备

CXL（Compute Express Link）设备提供 CPU 可直接访问的扩展内存。内核用DEVICE_COHERENT类型的 ZONE_DEVICE 管理，未来可能成为 HMM 最大的应用场景。

其他

FPGA— 可通过 HMM 共享进程地址空间
SmartNIC / DPU— RDMA + 设备内存管理
持久化内存（PMEM）— 虽然不用 HMM，但共享 ZONE_DEVICE 基础设施

本专栏的学习路径

我们把 HMM 的知识体系分为8 层，沿进化脉络从底向上：

每一层我们都会：

讲清经典 MM 是怎么做的— 建立基础心智模型
指出"不够"在哪里— 面对设备内存时的局限
展示如何扩展— 内核社区的解决方案

这样当你最终读到mm/hmm.c时，每一行代码都不再陌生。

前置知识

本专栏假设你具备：

C 语言基础— 能读懂内核代码（指针、位操作、宏）
操作系统概念— 虚拟内存、页表、中断等基本概念
基本的内核阅读能力— 知道如何浏览内核源码树

不需要你已经精通 MM 或 GPU 驱动——这些正是本专栏要教的。

关键源码版本

本专栏基于Linux 6.x内核源码。HMM 相关代码在近几年持续演进，核心文件包括：

文件	内容
`mm/hmm.c`	HMM 核心实现（~700 行）
`include/linux/hmm.h`	HMM 公共 API
`mm/migrate_device.c`	设备迁移框架
`mm/memremap.c`	ZONE_DEVICE 实现
`lib/test_hmm.c`	HMM 测试模块（最佳学习参考）