Linux内核设计与实现——内存管理

2018-05-02  本文已影响13人  leon4ever

内核的内存使用不像用户空间那样随意，内核的内存出现错误时也只有靠自己来解决（用户空间的内存错误可以抛给内核来解决）。
所有内核的内存管理必须要简洁而且高效。

主要内容

  1. 内存的管理单元
  2. 获取内存的方法
  3. 获取高端内存
  4. 内核内存的分配方式

1. 页

内核把物理页作为内存管理的基本单位，内存管理单元MMU以页为单位进行处理，从虚拟内存的角度，页就是最小单位。

struct page {
    unsigned long flags;    /* 存放页的状态，脏页？被锁定？等各种状态参见<linux/page-flags.h> */
    atomic_t _count;        /* 页的引用计数 */
    atomic_t _mapcount;    /* 已经映射到mms的pte的个数 *
    unsigned long private;        /* 此page作为私有数据时，指向私有数据 */
    struct address_space *mapping;    /* 此page作为页缓存时，指向关联的address_space */
    pgoff_t index;        /* Our offset within mapping. */
    struct list_head lru;    /* 将页关联起来的链表项 */
    void *virtual;            /* 页的虚拟地址 */
};

如果页的大小是 8KB 的话，消耗的管理page内存只有 20MB 左右。相对于 4GB 来说并不算很多。

2. 区

页是内存管理的最小单元，但是并不是所有的页对于内核都一样。
内核将内存按地址的顺序分成了不同的区，有的硬件只能访问有专门的区。

在x86（32位系统）上

区 描述 物理内存
ZONE_DMA DMA使用的页 <16MB
ZONE_NORMAL 正常可寻址的页 16～896MB
ZONE_HIGHMEM 动态映射的页 >896MB

某些硬件只能直接访问内存地址，不支持内存映射，对于这些硬件内核会分配 ZONE_DMA 区的内存。
某些硬件的内存寻址范围很广，比虚拟寻址范围还要大的多，那么就会用到 ZONE_HIGHMEM 区的内存。

3. 获得页

方法 描述
alloc_page(gfp_mask) 只分配一页，返回指向页结构的指针
alloc_pages(gfp_mask, order) 分配 2^order 个页，返回指向第一页页结构的指针
__get_free_page(gfp_mask) 只分配一页，返回指向其逻辑地址的指针
__get_free_pages(gfp_mask, order) 分配 2^order 个页，返回指向第一页逻辑地址的指针
get_zeroed_page(gfp_mask) 只分配一页，让其内容填充为0，返回指向其逻辑地址的指针

alloc** 方法和 get** 方法的区别在于，一个返回的是内存的物理地址，一个返回内存物理地址映射后的逻辑地址。
如果无须直接操作物理页结构体的话，一般使用 get** 方法。

对应的释放函数：

extern void __free_pages(struct page *page, unsigned int order);
extern void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order);
extern void free_hot_page(struct page *page);

4. kmalloc()

获得以字节为单位的一块内核内存。

/**
 * @size  - 申请分配的字节数
 * @flags - 上面讨论的各种 gfp_mask
 */
static __always_inline void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags)
#+end_src

vmalloc的定义在 mm/vmalloc.c 中
#+begin_src C
/**
 * @size - 申请分配的字节数
 */
void *vmalloc(unsigned long size)

kmalloc 和 vmalloc 区别在于：

对应的释放方法：kfree, vfree

gfp_mask标志

请求内存时，参数中有个标志位，控制分配内存时必须遵守的一些规则。

5. slab层实现原理

频繁的分配/释放内存必然导致系统性能的下降，所以有必要为频繁分配/释放的对象内心建立缓存。

linux中的高速缓存是用所谓的slab层来实现的

  1. 可以在内存中建立各种对象的高速缓存(比如进程描述相关的结构 task_struct 的高速缓存)
  2. 除了针对特定对象的高速缓存以外，也有通用对象的高速缓存
  3. 每个高速缓存中包含多个 slab，slab用于管理缓存的对象
  4. slab中包含多个缓存的对象，物理上由一页或多个连续的页组成
高速缓存-slab-对象.png

高速缓存被划分为slab，每个slab都包含一些对象成员（被缓存的数据结构），slab处于三种状态之一（满、部分满、空）
每个高速缓存都使用kmem_cache结构来表示，包含三个链表：slabs_full、slabs_partial和slabs_empty
，这些链表包含高速缓存中的所有slab。

struct slab {
    struct list_head list;   /* 存放缓存对象，这个链表有 满，部分满，空 3种状态  */
    unsigned long colouroff; /* slab 着色的偏移量 */
    void *s_mem;             /* 在 slab 中的第一个对象 */
    unsigned int inuse;         /* slab 中已分配的对象数 */
    kmem_bufctl_t free;      /* 第一个空闲对象(如果有的话) */
    unsigned short nodeid;   /* 应该是在 NUMA 环境下使用 */
};

slab层的应用主要有四个方法：

  1. 高速缓存的创建
  2. 从高速缓存中分配对象
  3. 向高速缓存释放对象
  4. 高速缓存的销毁
/**
 * 创建高速缓存
 * 参见文件： mm/slab.c
 * 这个函数的注释很详细，这里就不多说了。
 */
struct kmem_cache *
kmem_cache_create (const char *name, size_t size, size_t align,
    unsigned long flags, void (*ctor)(void *))

/**
 * 从高速缓存中分配对象也很简单
 * 函数参见文件：mm/slab.c
 * @cachep - 指向高速缓存指针
 * @flags  - 之前讨论的 gfp_mask 标志，只有在高速缓存中所有slab都没有空闲对象时，
 *           需要申请新的空间时，这个标志才会起作用。
 *
 * 分配成功时，返回指向对象的指针
 */
void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags)

/**
 * 向高速缓存释放对象
 * @cachep - 指向高速缓存指针
 * @objp   - 要释放的对象的指针
 */
void kmem_cache_free(struct kmem_cache *cachep, void *objp)

/**
 * 销毁高速缓存
 * @cachep - 指向高速缓存指针 
 */
void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *cachep)

6. 在栈上的静态分配

内核空间的栈小而且固定
在x86体系结构中，内核栈的大小一般就是1页或2页，即 4KB ~ 8KB

内核栈可以在编译内核时通过配置选项将内核栈配置为1页，配置为1页的好处是分配时比较简单，只有一页，不存在内存碎片的情况，因为一页是本就是分配的最小单位。

当有中断发生时，如果共享内核栈，中断程序和被中断程序共享一个内核栈会可能导致空间不足，
于是，每个进程除了有个内核栈之外，还有一个中断栈，中断栈一般也就1页大小。

7. 高端内存的映射

x86体系中，高于896MB的所有物理内存的范围大都是高端呢村，不会永久或自动地映射到内核地址空间。

8. 按CPU分配

按CPU来分配数据主要有2个优点：

  1. 最直接的效果就是减少了对数据的锁，提高了系统的性能
  2. 由于每个CPU有自己的数据，所以处理器切换时可以大大减少缓存失效的几率

如果一个处理器操作某个数据，而这个数据在另一个处理器的缓存中时，那么存放这个数据的那个处理器必须清理或刷新自己的缓存。持续的缓存失效称为缓存抖动，对系统性能影响很大。

percpu接口：

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