[内核内存] 伙伴系统1---相关结构体介绍

雨点打透心脏的1/2处 2023-01-13 04:10 6阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  1.伙伴系统相关结构体
 *  2.zone的free\_area成员
 *  3.gfp\_mask
 *  4.ALLOC\_XXX分配标志
 *  5.struct alloc\_contest

内核启动前期物理内存是由memblock来管理比如内存申请和释放操作，可以将membloc当做早期的内存分配器。当内核内存初始化完成后内存的管理工作交接给伙伴系统。Buddy System是基于页面的内存分配器，它管理struct page结构。由前面的介绍内容可知:(1)struct page结构与物理内存的对应关系是由内存模型决定的（sparse内存模型有mem\_section来维护它们的对应关系）;(2)Node是和NUMA/UMA结构相关，Node又细化成不同的zone区域来管理内存。（3）zone通过维护它的free\_area和它的各类成员列表来来管理内存区域。上面的内容构成了伙伴系统的基石。

# 1.伙伴系统相关结构体 #

伙伴系统相关的结构体struct pglist\_data；struct zone ;struct zonelist ；strcut lruvec等它们的关系图如下：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTA5MjMwODM_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

以arm64 UMA架构内核系统为例，该系统只有一个节点。其中Node中的struct lruvec lruvec成员是用来处理该节点的页面回收。而Node节点中的struct zone node\_zone\[\]数组成员表示的是组成该节点的不同zone区域（ZONE DMA,ZONE NORMAL,ZONE MOVABLE等）。对于每个zone它有一个比较重要的成员strcuct free\_area free\_area\[\],该成员用于该zone区域的内存非配。struct per\_cpu\_pageset \* pageset 成员用于该zone区域分配单页框（linux内存管理中分配单页使用per-cpu机制，而分配多页框使用伙伴算法）.

在内核系统中我们可以通过cat /proc/pagetypeinfo来查看系统中的页面信息，通过cat /proc/zoneinfo来查看每个Node中不同zone区域的统计信息.

# 2.zone的free\_area成员 #

struct free_area free_area[MAX_ORDER];
    
    struct free_area { 
    	struct list_head free_list[MIGRATE_TYPES];
    	//空闲页块的总个数
    	unsigned long nr_free;
    };

对于node–>zone–>pages在内核的组织关，若是在伙伴系统中页面是以2的次幂来对内存进行分块，因此也是以2的次幂来组织链表结构的。例如stuct free\_area\[\]结构体，free\_area\[n\]对应的是z^n个page内存块的链表，这些内存块还会根据其MIGRATE类型进行分类如下图2所示。在arm64系统中MAX\_ORDER默认值是11，page size为4K，因此图中橘色的数组链表有11个，链表中连续的页面为20~210（4K~4M）。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTA5MjMwODM_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

图2中蓝色数组是通过Migrate类型来对相同order大小的页块进行分类的。MIGRATE\_xxx表示的是页块不同的迁移类型及其移动属性。内核在可能的情况下将相同迁移属性的页面分组在一起是为了抑制内存的连续碎片化。其定义和介绍如下：

//include/linux/mmzone.h 
    enum {   
        MIGRATE_UNMOVABLE,  
        MIGRATE_MOVABLE,  
        MIGRATE_RECLAIMABLE,  
        MIGRATE_PCPTYPES,   /* the number of types on the pcp lists */  
        MIGRATE_HIGHATOMIC = MIGRATE_PCPTYPES,  
    #ifdef CONFIG_CMA 
        MIGRATE_CMA,  
    #endif 
    #ifdef CONFIG_MEMORY_ISOLATION 
        MIGRATE_ISOLATE,    /* can't allocate from here */  
    #endif 
        MIGRATE_TYPES  
    };

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>宏</th> 
   <th align="left">类型</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>MIGRATE_UNMOVABLE</td> 
   <td align="left">不可移动页</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>MIGRATE_MOVABLE</td> 
   <td align="left">可移动页</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>MIGRATE_RECLAIMABLE</td> 
   <td align="left">可回收页</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>MIGRATE_PCPTYPES</td> 
   <td align="left">是per_cpu_pageset, 即用来表示每CPU页框高速缓存的数据结构中的链表的迁移类型数目</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>MIGRATE_HIGHATOMIC = MIGRATE_PCPTYPES,</td> 
   <td align="left">在罕见的情况下，内核需要分配一个高阶的页面块而不能休眠.如果向具有特定可移动性的列表请求分配内存失败，这种紧急情况下可从MIGRATE_HIGHATOMIC中分配内存</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>MIGRATE_CMA</td> 
   <td align="left">Linux内核最新的连续内存分配器(CMA), 用于避免预留大块内存</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>MIGRATE_ISOLATE</td> 
   <td align="left">是一个特殊的虚拟区域, 用于跨越NUMA结点移动物理内存页. 在大型系统上, 它有益于将物理内存页移动到接近于使用该页最频繁的CPU.</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>MIGRATE_TYPES</td> 
   <td align="left">只是表示迁移类型的数目, 也不代表具体的区域</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

# 3.gfp\_mask #

\_\_GFP\_MASK表示linux内部使用的页面分配请求标志,定在/include/linux/gfp.h文件中。在内核get free page时用此标志来表明需要获取那些属性的页块,其定义如下表：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>宏</th> 
   <th align="left">意义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>__GFP_DMA</td> 
   <td align="left">请求在ZONE_DMA区域中分配页面</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>__GFP_HIGHMEM</td> 
   <td align="left">请求在ZONE_HIGHMEM区域中分配页面</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>__GFP_MOVABLE</td> 
   <td align="left">ZONE_MOVALBE可用时在该区域分配页面，同时表示页面分配后可以在内存压缩时进行迁移，也能进行回收</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>__GFP_RECLAIMABLE：</td> 
   <td align="left">请求分配到可恢复页面</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>__GFP_HIGH</td> 
   <td align="left">高优先级处理请求</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>__GFP_FS</td> 
   <td align="left">请求将分配的区域初始化为0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>__GFP_NOFAIL</td> 
   <td align="left">不允许请求失败，会无限重试</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>__GFP_NORETRY</td> 
   <td align="left">请求不重试内存分配请求</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

前面不带"\_\_"符号如：GFP\_ATOMIC,GFP\_KERNEL等表示的是\_\_GFP\_\*\*\*标志的组合,也定义在/include/linux/gfp.h文件中。

# 4.ALLOC\_XXX分配标志 #

该标志定义在mm/internal.h文件中，这些标志用于内部函数的分配，通常与gfp\_mask分开使用如下表所示:

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>ALLOC_WMARK_MIN</th> 
   <th>仅在最小水位water mark及以上限制页面分配</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>ALLOC_WMARK_LOW</td> 
   <td>仅在低水位water mark low及以上限制页面分配</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ALLOC_WMARK_HIGH</td> 
   <td>仅在高水位water mark high及以上限制页面分配</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ALLOC_HARDER</td> 
   <td>努力分配，一般在gfp_mask设置了__GFP_ATOMIC时会使用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ALLOC_HIGH</td> 
   <td>高优先级分配，一般在gfp_mask设置了__GFP_HIGH时使用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ALLOC_CPUSET</td> 
   <td>检查是否为正确的cpuset</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ALLOC_CMA</td> 
   <td>允许从CMA区域进行分配</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

# 5.struct alloc\_contest #

页面分配过程中使用的结构体strcut alloc\_context，该结构体用于储存页面分配各个函数之间的参数传递。当然功能上也可以用全局变量替代该方式。代码如下：

struct alloc_context {  
        //分配页面的zone列表 
        struct zonelist *zonelist;
        //指定的node节点，未指定则在所有节点中进行分配 
        nodemask_t *nodemask;  
        //指定要在快速路径中首先分配的区域，在慢路径中指定了zonelist中的第一个可用区域
        struct zoneref *preferred_zoneref;  
        //分配页面的迁移类型
        int migratetype;  
        //将分配限制为小于区域列表中指定的高区域
        enum zone_type high_zoneidx;  
        //脏区平衡相关
        bool spread_dirty_pages;  
    };

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>字段</th> 
   <th>描述</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>zonelist</td> 
   <td>当perferred_zone上没有合适的页可以分配时，就要按zonelist中的顺序扫描该zonelist中备用zone列表，一个个的试用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>nodemask</td> 
   <td>表示节点的mask，就是是否能在该节点上分配内存，这是个bit位数组</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>preferred_zone</td> 
   <td>表示从high_zoneidx后找到的合适的zone，一般会从该zone分配；分配失败的话，就会在zonelist再找一个preferred_zone = 合适的zone</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>migratetype</td> 
   <td>迁移类型，在zone-&gt;free_area.free_list[XXX] 作为分配下标使用，这个是用来反碎片化的，修改了以前的free_area结构体，在该结构体中再添加了一个数组，该数组以迁移类型为下标，每个数组元素都挂了对应迁移类型的页链表</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>high_zoneidx</td> 
   <td>是表示该分配时，所能分配的最高zone，一般从high–&gt;normal–&gt;dma 内存越来越昂贵，所以一般从high到dma分配依次分配</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>spread_dirty_pages</td> 
   <td>…</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTA5MjMwODM_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTA5MjMwODM_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221022/249d9e0470df4cdd85efce30a766c3d3.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTA5MjMwODM_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20221022/cd1110d22d6242c992cd4b73227152e2.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTA5MjMwODM_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]: /images/20221022/a28340cbc66a43febd9467f63843a9ff.png