Linux伙伴系统(三)--分配

介绍过伙伴系统的原理和Linux伙伴系统的数据结构，现在来看伙伴系统是如何来分配页面的。实际上，伙伴系统分配页面的算法并不复杂，但是由于考虑到分配内存时要尽量减少碎片的产生(涉及迁移机制)以及当内存不足时需要采取各种更为积极的手段，使得内核分配页面的相关函数完整地分析起来比较复杂庞大。在这里，我们只关注分配时最一般的情况，而其他情况的处理在以后单独拿出来讨论。        我们从__alloc_pages_nodemask()这个函数开始分析，所有的分配页面的函数最终都会落到这个函数上面，它是伙伴系统的入口。 [cpp]  <span style="font-size:12px;">struct page *  __alloc_pages_nodemask(gfp_t gfp_mask, unsigned int order,              struct zonelist *zonelist, nodemask_t *nodemask)  {      /*根据gfp_mask确定分配页所处的管理区*/      enum zone_type high_zoneidx = gfp_zone(gfp_mask);      struct zone *preferred_zone;    www.2cto.com      struct page *page;      /*根据gfp_mask得到迁移类分配页的型*/      int migratetype = allocflags_to_migratetype(gfp_mask);        gfp_mask &= gfp_allowed_mask;        lockdep_trace_alloc(gfp_mask);        might_sleep_if(gfp_mask & __GFP_WAIT);        if (should_fail_alloc_page(gfp_mask, order))          return NULL;        /*      * Check the zones suitable for the gfp_mask contain at least one      * valid zone. It's possible to have an empty zonelist as a result      * of GFP_THISNODE and a memoryless node      */      if (unlikely(!zonelist->_zonerefs->zone))          return NULL;        /* The preferred zone is used for statistics later */      /*从zonelist中找到zone_idx与high_zoneidx相同的管理区，也就是之前认定的管理区*/      first_zones_zonelist(zonelist, high_zoneidx, nodemask, &preferred_zone);      if (!preferred_zone)          return NULL;        /* First allocation attempt */      page = get_page_from_freelist(gfp_mask|__GFP_HARDWALL, nodemask, order,              zonelist, high_zoneidx, ALLOC_WMARK_LOW|ALLOC_CPUSET,              preferred_zone, migratetype);      if (unlikely(!page))          /*第一次分配失败的话则会用通过一条低速路径来进行第二次分配，包括唤醒页换出守护进程等等*/          page = __alloc_pages_slowpath(gfp_mask, order,                  zonelist, high_zoneidx, nodemask,                  preferred_zone, migratetype);        trace_mm_page_alloc(page, order, gfp_mask, migratetype);      return page;  }</span>  
 首先要做的就是找到指定的分配管理区，管理区的编号保存在high_zoneidx中然后就是尝试第一次分配，流程是从指定的管理区开始扫描管理区-->找到充足的管理区-->从指定的迁移类型链表中分配内存-->如果在指定迁移类型中找不到则到其他的迁移类型中去寻找如果第二步在各个区域都找不到可以满足分配的内存了，那么说明管理区的内存已经确实不够了，于是开始启用一条慢速的途径来分配，包括尝试去换出一些不经常使用的页等等，内核会在这次分配中表现得更为积极，其中的细节涉及到了其他一些复杂的东西，以后再做分析 [cpp]  static struct page *  get_page_from_freelist(gfp_t gfp_mask, nodemask_t *nodemask, unsigned int order,          struct zonelist *zonelist, int high_zoneidx, int alloc_flags,          struct zone *preferred_zone, int migratetype)    www.2cto.com  {      struct zoneref *z;      struct page *page = NULL;      int classzone_idx;      struct zone *zone;      nodemask_t *allowednodes = NULL;/* zonelist_cache approximation */      int zlc_active = 0;     /* set if using zonelist_cache */      int did_zlc_setup = 0;      /* just call zlc_setup() one time */        /*获取管理区的编号*/      classzone_idx = zone_idx(preferred_zone);  zonelist_scan:      /*      * Scan zonelist, looking for a zone with enough free.      * See also cpuset_zone_allowed() comment in kernel/cpuset.c.      */      /*从认定的管理区开始遍历，直到找到一个拥有足够空间的管理区，       例如，如果high_zoneidx对应的ZONE_HIGHMEM，则遍历顺序为HIGHMEM-->NORMAL-->DMA，       如果high_zoneidx对应ZONE_NORMAL，则遍历顺序为NORMAL-->DMA*/      for_each_zone_zonelist_nodemask(zone, z, zonelist,                          high_zoneidx, nodemask) {          if (NUMA_BUILD && zlc_active &&              !zlc_zone_worth_trying(zonelist, z, allowednodes))                  continue;            /*检查给定的内存域是否属于该进程允许运行的CPU*/          if ((alloc_flags & ALLOC_CPUSET) &&              !cpuset_zone_allowed_softwall(zone, gfp_mask))                  goto try_next_zone;            BUILD_BUG_ON(ALLOC_NO_WATERMARKS < NR_WMARK);          if (!(alloc_flags & ALLOC_NO_WATERMARKS)) {              unsigned long mark;              int ret;                            /*通过alloc_flags来确定是使用何种水印，pages_min?pages_low?pages_high?               选择了一种水印，就要求分配后的空闲不低于该水印才能进行分配*/              mark = zone->watermark[alloc_flags & ALLOC_WMARK_MASK];                /*如果管理区的水位线处于正常水平，则在该管理区进行分配*/              if (zone_watermark_ok(zone, order, mark,                      classzone_idx, alloc_flags))                  goto try_this_zone;                if (zone_reclaim_mode == 0)                  goto this_zone_full;                /*下面这部分都是针对NUMA架构的申请页面回收*/              ret = zone_reclaim(zone, gfp_mask, order);              switch (ret) {    www.2cto.com              case ZONE_RECLAIM_NOSCAN:/*没有进行回收*/                  /* did not scan */                  goto try_next_zone;              case ZONE_RECLAIM_FULL:  /*没有找到可回收的页面*/                  /* scanned but unreclaimable */                  goto this_zone_full;              default:                  /* did we reclaim enough */                  if (!zone_watermark_ok(zone, order, mark,                          classzone_idx, alloc_flags))                      goto this_zone_full;              }          }    try_this_zone:/*分配2^order个页*/          page = buffered_rmqueue(preferred_zone, zone, order,                          gfp_mask, migratetype);          if (page)              break;  this_zone_full:          if (NUMA_BUILD)              zlc_mark_zone_full(zonelist, z);  try_next_zone:          if (NUMA_BUILD && !did_zlc_setup && nr_online_nodes > 1) {              /*              * we do zlc_setup after the first zone is tried but only              * if there are multiple nodes make it worthwhile              */              allowednodes = zlc_setup(zonelist, alloc_flags);              zlc_active = 1;              did_zlc_setup = 1;          }      }        if (unlikely(NUMA_BUILD && page == NULL && zlc_active)) {          /* Disable zlc cache for second zonelist scan */          zlc_active = 0;          goto zonelist_scan;      }      return page;  }   从指定的管理区开始按照zonelist中定义的顺序来遍历管理区如果该管理区的水位线正常，则调用buffered_rmqueue()在该管理区中分配如果管理区的水位线过低，则在NUMA架构下会申请页面回收 [cpp]  <span style="font-size:12px;">static inline  struct page *buffered_rmqueue(struct zone *preferred_zone,              struct zone *zone, int order, gfp_t gfp_flags,              int migratetype)    www.2cto.com  {      unsigned long flags;      struct page *page;      int cold = !!(gfp_flags & __GFP_COLD);      int cpu;    again:      cpu  = get_cpu();      if (likely(order == 0)) {/*order为0，即要求分配一个页*/          struct per_cpu_pages *pcp;          struct list_head *list;            pcp = &zone_pcp(zone, cpu)->pcp;/*获取本地CPU对应的pcp*/          list = &pcp->lists[migratetype];/*获取和迁移类型对应的链表*/          local_irq_save(flags);            /*如果链表为空，则表示没有可分配的页，需要从伙伴系统中分配2^batch个页给list*/          if (list_empty(list)) {              pcp->count += rmqueue_bulk(zone, 0,                      pcp->batch, list,                      migratetype, cold);              if (unlikely(list_empty(list)))                  goto failed;          }            if (cold)/*如果是需要冷页，则从链表的尾部获取*/              page = list_entry(list->prev, struct page, lru);          else     /*如果是需要热页，则从链表的头部获取*/              page = list_entry(list->next, struct page, lru);                    list_del(&page->lru);          pcp->count--;      } else {          if (unlikely(gfp_flags & __GFP_NOFAIL)) {              /*              * __GFP_NOFAIL is not to be used in new code.              *              * All __GFP_NOFAIL callers should be fixed so that they              * properly detect and handle allocation failures.              *              * We most definitely don't want callers attempting to              * allocate greater than order-1 page units with              * __GFP_NOFAIL.              */              WARN_ON_ONCE(order > 1);          }          spin_lock_irqsave(&zone->lock, flags);          /*从管理区的伙伴系统中选择合适的内存块进行分配*/          page = __rmqueue(zone, order, migratetype);          spin_unlock(&zone->lock);          if (!page)    www.2cto.com              goto failed;          __mod_zone_page_state(zone, NR_FREE_PAGES, -(1 << order));      }        __count_zone_vm_events(PGALLOC, zone, 1 << order);      zone_statistics(preferred_zone, zone);      local_irq_restore(flags);      put_cpu();        VM_BUG_ON(bad_range(zone, page));      if (prep_new_page(page, order, gfp_flags))          goto again;      return page;    failed:      local_irq_restore(flags);      put_cpu();      return NULL;  }  </span>   该函数分两种情况进行处理，一种是只要求分配单个页框，另一种是要求分配多个连续页框对于单个页面，内核选择从每CPU页框高速缓存中分配，它的核心描述结构也是MIGRATE_TYPES个链表，只不过链表中的元素都是单个页。这些页分为热页和冷页，所谓热页就是还处在CPU高速缓存中的页，相反，冷页就是不存在于高速缓存中的页。对于单个页框的申请，分配热页可以提高效率。需要注意的是，越靠近链表头的页越热，越靠近链表尾的页越冷，因为每次释放单个页框的时候，页框是插入到链表的头部的，也就是说靠近头部的页框是最近才释放的，因此最有可能存在于高速缓存当中对于连续的页框分配，通过调用__rmqueue()来完成分配 [cpp]  <span style="font-size:12px;">static struct page *__rmqueue(struct zone *zone, unsigned int order,                          int migratetype)  {      struct page *page;    retry_reserve:            page = __rmqueue_smallest(zone, order, migratetype);        /*如果分配失败并且迁移类型不是MIGRATE_RESERVE(如果是MIGRATE_RESERVE，       则表明已经没有其他的迁移类型可供选择了)*/      if (unlikely(!page) && migratetype != MIGRATE_RESERVE) {          page = __rmqueue_fallback(zone, order, migratetype);            /*          * Use MIGRATE_RESERVE rather than fail an allocation. goto          * is used because __rmqueue_smallest is an inline function          * and we want just one call site          */          if (!page) {              migratetype = MIGRATE_RESERVE;              goto retry_reserve;          }    www.2cto.com      }        trace_mm_page_alloc_zone_locked(page, order, migratetype);      return page;  }  </span>   首先按照指定的迁移类型，调用__rmqueue_smallest()来分配对应的内存块,该函数是伙伴系统的算法体现如果分配失败，则说明指定的迁移类型中没有充足的内存来满足分配，这时就要按fallbacks中定义的顺序从其他的迁移链表中寻找了，__rmqueue_fallback()函数较为复杂，体现了利用迁移类型来避免碎片的思想，后面单独拿出来分析 [cpp]  static inline  struct page *__rmqueue_smallest(struct zone *zone, unsigned int order,                          int migratetype)  {      unsigned int current_order;      struct free_area * area;      struct page *page;        /* Find a page of the appropriate size in the preferred list */      for (current_order = order; current_order < MAX_ORDER; ++current_order) {            /*获取和现在的阶数对应的free_area*/          area = &(zone->free_area[current_order]);            /*和迁移类型对应的free_list为空则不执行下面的内容*/          if (list_empty(&area->free_list[migratetype]))              continue;                    /*得到满足要求的页块中的第一个页描述符*/          page = list_entry(area->free_list[migratetype].next,                              struct page, lru);          list_del(&page->lru);          rmv_page_order(page);/*将page的private域设为0*/          area->nr_free--;         /*内存块数减1*/                    /*进行拆分(在current_order>order的情况下)*/          expand(zone, page, order, current_order, area, migratetype);          return page;    www.2cto.com      }        return NULL;  }   [cpp]     static inline void expand(struct zone *zone, struct page *page,      int low, int high, struct free_area *area,      int migratetype)  {      unsigned long size = 1 << high;/*order为high的页块对应的页框数*/        /*申请的order为low,实际分配的块对应的order为high       如果high大于low则要将大块进行拆分，并且将拆分后的伙伴块添加到下一级order的块链表中去*/      while (high > low) {          area--;/*area减1得到下一级order对应的area*/          high--;/*high减1表明进行了一次拆分*/          size >>= 1;/*拆分一次size就要除以2*/          VM_BUG_ON(bad_range(zone, &page[size]));            /*通过size来定位拆分后的伙伴块的起始页框描述符，         并将其作为第一个块添加到下一级order的块链表中*/          list_add(&page[size].lru, &area->free_list[migratetype]);          area->nr_free++;/*该order区域的块数加1*/    www.2cto.com          set_page_order(&page[size], high);/*设定private域为high*/      }  }    只需要注意一点，一个块的定位可以由块首的起始页对应的描述符和order(size)来定位，因此只需要将一个块的第一个页描述符链入相应的链表就可以了。   作者 vanbreaker