操作系统实战(九)(Linux)

2021/9/4 7:06:10

本文主要是介绍操作系统实战(九)(Linux),对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!

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伙伴系统(buddy system)如何分配内存

  • 前言
  • 一、如何表示一个页?
  • 二、如何表示一个区
  • 三、怎样表示一个内存节点
    • 1.`NUMA`--Non-Uniform Memory Access(非一致性内存访问)
  • 三、数据结构之间的关系
  • 四、伙伴系统
  • 五、分配页面
  • 六、通过接口找到内存节点
  • 七、开始分配
    • 1.准备分配页面的参数
    • 2.Plan A:快速分配路径
    • 3.Plan B:慢速分配路径
    • 4.如何分配内存页面


前言

Linux操作系统是如何实现内存管理的?
在Linux中,伙伴系统用来管理物理内存页面,SLAB分配器用来分配比页更小的内存对象。

一、如何表示一个页?

Linux也是使用分页机制管理物理内存的,Linux将物理内存分成4KB大小的页面进行管理。早期Linux使用位图,后来使用字节数组,现在Linux定义了一个page结构体来表示一个页。page结构中大量使用了union联合定义结构字段,所以page实际占用20~40个字节空间。page通过flags表示它处于哪种状态,根据不同的状态来使用union联合体变量表示的数据信息。如果page处于空闲状态,它就会使用union联合体中的lru字段,挂载到对应空闲链表中。(一个page结构表示一个物理内存页面)。

二、如何表示一个区

Linux内核中也有区的逻辑概念,因为硬件的限制,Linux内核不能对所有的物理内存页面同一对待,所以就把属性相同的物理内存页面,归结到一个区中。
不同硬件平台,区的划分也不一样。比如在32位的x86平台中,一些使用DMA的设备只能访问0~16MB的物理空间,因此将这个划分为DMA区。
高内存区适合要访问的物理内存地址空间大于虚拟内存地址空间,Linux内核不能建立直接映射的情况。除开这两个内存区,物理内存中剩余页面就划分到常规的内存区中了。
Linux内核用zone数据结构表示一个区。其中_watermark表示内存页面总量的水位线有min、low、high三种状态,可以作为启动内存页面回收的判断标准。spanned_pages是该内存区总的页面数。
present_pages字段表示真正存在的页面数。(内存区中存在内存空洞,空洞对应的page结构不能用。)
在zone结构中,真正要关注free_area结构的数组,这个数组就是用于实现伙伴系统的。其中MAX_ORDER的默认值是11,分别表示挂载地址连续page的数目为1,2,4…最大为1024。
free_area结构中,又是一个list_head链表数组,该数组将具有相同迁移类型的page尽可能分组,有的页面可以迁移,有的不可以迁移,同一类型的所有相同oreder的page结构,就构成一组page结构块。
分配的时候,会按请求的migratetype从对应的page结构块中寻找,如果不成功,才会从其他migratetype的page结构块中分配。这样做是为了让内存页迁移更加高效,可以有效降低内存碎片。

三、怎样表示一个内存节点

1.NUMA–Non-Uniform Memory Access(非一致性内存访问)

在很多服务器和大型计算机上,如果物理内存是分布式的,有多个计算节点组成,那么每个CPU核都会有自己的本地内存,CPU在访问它的本地内存的时候就会比较快,访问其他CPU核内存的时候就比较慢。
在这里插入图片描述
Linux 对 NUMA 进行了抽象,它可以将一整块连续物理内存的划分成几个内存节点,也可以把不是连续的物理内存当成真正的 NUMA。
用pglist_data表示内存节点,pglist_data结构中包含了zonelist数组。第一个zonelist类型的元素指向本节点内的zone数组,第二个zonelist类型的元素指向其他节点的zone数组,而一个zone结构中的free_area数组中又挂载着page结构。
这样在本节点分配不到内存页面,就会在其他节点中分配内存页面,当计算机不是NUMA时,Linux就只创建一个节点。

三、数据结构之间的关系

在这里插入图片描述

四、伙伴系统

在这里插入图片描述
首先最小的 page(0,1)是伙伴,page(2,3)是伙伴,page(4,5)是伙伴,page(6,7)是伙伴,然后 A 与 B 是伙伴,C 与 D 是伙伴,最后 E 与 F 是伙伴.

五、分配页面

首先要找到内存节点,接着找到内存区,然后合适的空闲链表,最后在其中找到页的page结构,完成物理内存的分配。

六、通过接口找到内存节点

在这里插入图片描述
上图中,虚线框中为接口函数,下面则是分配内存页面的核心实现,所有的接口函数都会调用到 alloc_pages 函数,而这个函数最终会调用 __alloc_pages_nodemask 函数完成内存页面的分配。
只要知道alloc_pages_current 函数最终要调用 __alloc_pages_nodemask 函数,而且我们还要搞清楚它的参数,order 很好理解,它表示请求分配 2 的 order 次方个页面,重点是 gfp_t 类型的 gfp_mask。

七、开始分配

__alloc_pages_nodemask 函数主要干了三件事:
1.准备分配页面的参数
2.进入快速分配路径
3.若快速分配路径没有分配到页面,就进入慢速分配阶段

1.准备分配页面的参数

__alloc_pages_nodemask 函数中,一定看到了一个变量 ac 是 alloc_context 类型的,顾名思义,分配参数就保存在了 ac 这个分配上下文的变量中。prepare_alloc_pages 函数根据传递进入的参数,就能找出要分配内存区、候选内存区以及内存区中空闲链表的 migratetype 类型。它把这些全部收集到 ac 结构中,只要它返回 true,就说明分配内存页面的参数已经准备好了。

2.Plan A:快速分配路径

为了优化内存页面的分配性能,在一定情况下可以进入快速分配路径,请注意快速分配路径不会处理内存页面合并和回收。
遍历所有的候选内存区,然后针对每个内存区检查水位线,是不是执行内存回收机制,当一切检查通过之后,就开始调用 rmqueue 函数执行内存页面分配。

3.Plan B:慢速分配路径

当快速分配路径没有分配到页面的时候,就会进入慢速分配路径。跟快速路径相比,慢速路径最主要的不同是它会执行页面回收,回收页面之后会进行多次重复分配,直到最后分配到内存页面,或者分配失败。__alloc_pages_slowpath 函数一开始会唤醒所有用于内存交换回收的线程 get_page_from_freelist 函数分配失败了就会进行内存回收,内存回收主要是释放一些文件占用的内存页面。如果内存回收不行,就会就进入到内存压缩环节。内存压缩不是指压缩内存中的数据,而是指移动内存页面,进行内存碎片整理,腾出更大的连续的内存空间。

4.如何分配内存页面

实际完成分配任务的是 rmqueue 函数.
rmqueue_pcplist 函数,在请求分配一个页面的时候,就是用它从 pcplist 中分配页面的。所谓的 pcp 是指,每个 CPU 都有一个内存页面高速缓冲,由数据结构 per_cpu_pageset 描述,包含在内存区中。在 Linux 内核中,系统会经常请求和释放单个页面。如果针对每个 CPU,都建立出预先分配了单个内存页面的链表,用于满足本地 CPU 发出的单一内存请求,就能提升系统的性能。



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