关于watermark的概念请参考zoned page frame allocator--3（对watermark的理解）
本文主要根据一个实例来加深理解
1. zoneinfo的信息
通过/proc/zoneinfo节点可以查看zone的相关信息，下面只截取了一部分，该开发平台只有1个node，也只有一直zone类型，即zone DMA32；
Node 0, zone DMA32
......
pages free 56388
min 1139
low 7295
high 7621
spanned 521952
present 345696
managed 326626
protection: (0, 0, 0)
nr_free_pages 56388
......
这里的min、low、high的值是怎么计算出来的的呢？主要是依据min_free_kbytes的值，下面先分析下这个值是怎么计算出来的。
2. min_free_kbytes值的计算
根据文档Documentation/sysctl/vm.txt，
==============================================================
min_free_kbytes:
This is used to force the Linux VM to keep a minimum number
of kilobytes free. The VM uses this number to compute a
watermark[WMARK_MIN] value for each lowmem zone in the system.
Each lowmem zone gets a number of reserved free pages based
proportionally on its size.
Some minimal amount of memory is needed to satisfy PF_MEMALLOC
allocations; if you set this to lower than 1024KB, your system will
become subtly broken, and prone to deadlock under high loads.
Setting this too high will OOM your machine instantly.
=============================================================从上面的话得出了以下几点：
min_free_kbyes代表的是系统保留空闲内存的最低限watermark[WMARK_MIN]的值是通过min_free_kbytes计算出来的
系统中min_free_kbytes的值可以通过下面的节点查看。可以看到，这个4556/4=1139，就是上面min的值（因为我们这里只有一个zone DMA32）。
console:/ # cat /proc/sys/vm/min_free_kbytes
4556下面的函数对每个zone做计算，将每个zone中超过high水位的值放到sum中。超过高水位的页数计算方法是：managed_pages减去watermark[WMARK_HIGH]， 这样就可以获取到系统中各个zone超过高水位页的总和
其中，high_wmark_pages（zone）获取的是watermark[WMARK_HIGH]的值，这里有个让我疑惑的地方是watermark[WMARK_HIGH]的值是根据watermark[WMARK_MIN]确定的，我们这里是为了计算watermark[WMARK_MIN]，怎么会需要watermark[WMARK_HIGH]呢，在这里加个打印，发现在我的平台一开始获取的high值就是0，所以这里返回的就是managed_pages值，即326626
/**
* nr_free_zone_pages - count number of pages beyond high watermark
* @offset: The zone index of the highest zone
*
* nr_free_zone_pages() counts the number of counts pages which are beyond the
* high watermark within all zones at or below a given zone index. For each
* zone, the number of pages is calculated as:
*
* nr_free_zone_pages = managed_pages - high_pages
*/
static unsigned long nr_free_zone_pages(int offset)
{
struct zoneref *z;
struct zone *zone;
/* Just pick one node, since fallback list is circular */
unsigned long sum = 0;
struct zonelist *zonelist = node_zonelist(numa_node_id(), GFP_KERNEL);
for_each_zone_zonelist(zone, z, zonelist, offset) {
unsigned long size = zone->managed_pages;
unsigned long high = high_wmark_pages(zone);
if (size > high)
sum += size - high;
}
return sum;
}
/**
* nr_free_buffer_pages - count number of pages beyond high watermark
*
* nr_free_buffer_pages() counts the number of pages which are beyond the high
* watermark within ZONE_DMA and ZONE_NORMAL.
*/
unsigned long nr_free_buffer_pages(void)
{
return nr_free_zone_pages(gfp_zone(GFP_USER));
}
watermark的初始化是由下面的函数来完成的，将上面获取的值，即326626代入，可以算得在我们得平台上，min_free_kbytes得值为4572.与上面得4556大小基本相等。
/*
* Initialise min_free_kbytes.
*
* For small machines we want it small (128k min). For large machines
* we want it large (64MB max). But it is not linear, because network
* bandwidth does not increase linearly with machine size. We use
*
* min_free_kbytes = 4 * sqrt(lowmem_kbytes), for better accuracy:
* min_free_kbytes = sqrt(lowmem_kbytes * 16)
*
* which yields
*
* 16MB: 512k
* 32MB: 724k
* 64MB: 1024k
* 128MB: 1448k
* 256MB: 2048k
* 512MB: 2896k
* 1024MB: 4096k
* 2048MB: 5792k
* 4096MB: 8192k
* 8192MB: 11584k
* 16384MB: 16384k
*/
int __meminit init_per_zone_wmark_min(void)
{
unsigned long lowmem_kbytes;
int new_min_free_kbytes;
lowmem_kbytes = nr_free_buffer_pages() * (PAGE_SIZE >> 10);
new_min_free_kbytes = int_sqrt(lowmem_kbytes * 16);
if (new_min_free_kbytes > user_min_free_kbytes) {
min_free_kbytes = new_min_free_kbytes;
if (min_free_kbytes < 128)
min_free_kbytes = 128;
if (min_free_kbytes > 65536)
min_free_kbytes = 65536;
} else {
pr_warn("min_free_kbytes is not updated to %d because user defined value %d is preferred\n",
new_min_free_kbytes, user_min_free_kbytes);
}
// 建立各个zone得水位值
setup_per_zone_wmarks();
refresh_zone_stat_thresholds();
setup_per_zone_lowmem_reserve();
#ifdef CONFIG_NUMA
setup_min_unmapped_ratio();
setup_min_slab_ratio();
#endif
khugepaged_min_free_kbytes_update();
return 0;
}3. 建立各个zone得水位值
具体每个zone得水位值是由下面得函数确认的，
static void __setup_per_zone_wmarks(void)
{
// pages_min = 4556/4=1139
unsigned long pages_min = min_free_kbytes >> (PAGE_SHIFT - 10);
// extra_free_kbytes机制应该是Android得patch,看了下5.18得kernel，还不包含这个patch，本平台这个值大小为24300
// page_low=24300/4=6075
unsigned long pages_low = extra_free_kbytes >> (PAGE_SHIFT - 10);
unsigned long lowmem_pages = 0;
struct zone *zone;
unsigned long flags;
// 计算除了ZONE_HIGHMEM之外所有的managed_pages之和,即lowmem_pages=326626
/* Calculate total number of !ZONE_HIGHMEM pages */
for_each_zone(zone) {
if (!is_highmem(zone))
lowmem_pages += zone->managed_pages;
}
for_each_zone(zone) {
u64 min, low;
spin_lock_irqsave(&zone->lock, flags);
// min = 1139*326626=372027014
min = (u64)pages_min * zone->managed_pages;
// 取商，min = 1139,
do_div(min, lowmem_pages);
low = (u64)pages_low * zone->managed_pages;
// vm_total_pages的值就是nr_free_pagecache_pages（）的返回值，打log发现这个值是340294
// 也不是managed_pages值
// 所以下面计算后low的值在我们的平台还是pages_low=6075*326626/340294=5830
do_div(low, vm_total_pages);
if (is_highmem(zone)) {
/*
* __GFP_HIGH and PF_MEMALLOC allocations usually don't
* need highmem pages, so cap pages_min to a small
* value here.
*
* The WMARK_HIGH-WMARK_LOW and (WMARK_LOW-WMARK_MIN)
* deltas control asynch page reclaim, and so should
* not be capped for highmem.
*/
unsigned long min_pages;
min_pages = zone->managed_pages / 1024;
min_pages = clamp(min_pages, SWAP_CLUSTER_MAX, 128UL);
zone->watermark[WMARK_MIN] = min_pages;
} else {
/*
* If it's a lowmem zone, reserve a number of pages
* proportionate to the zone's size.
*/
// 在我们的平台，即走到这里，即求得了zone->watermark[WMARK_MIN]=1139
zone->watermark[WMARK_MIN] = min;
}
/*
* Set the kswapd watermarks distance according to the
* scale factor in proportion to available memory, but
* ensure a minimum size on small systems.
*/
min = max_t(284,326),即min=326.
min = max_t(u64, min >> 2,
mult_frac(zone->managed_pages,
watermark_scale_factor, 10000));
// Android打的patch,low的值在这里起了作用
// zone->watermark[WMARK_LOW]=1139+5830+326=7286
zone->watermark[WMARK_LOW] = min_wmark_pages(zone) +
low + min;
// watermark[WMARK_HIGH]即比zone->watermark[WMARK_LOW]多了个min的值
zone->watermark[WMARK_HIGH] = min_wmark_pages(zone) +
low + min * 2;
spin_unlock_irqrestore(&zone->lock, flags);
}
/* update totalreserve_pages */
calculate_totalreserve_pages();
}
/**
* setup_per_zone_wmarks - called when min_free_kbytes changes
* or when memory is hot-{added|removed}
*
* Ensures that the watermark[min,low,high] values for each zone are set
* correctly with respect to min_free_kbytes.
*/
void setup_per_zone_wmarks(void)
{
static DEFINE_SPINLOCK(lock);
spin_lock(&lock);
__setup_per_zone_wmarks();
spin_unlock(&lock);
}
本平台得extra_free_kbytes值为24300
console:/ # cat /proc/sys/vm/extra_free_kbytes
24300
本平台watermark_scale_factor的值为10
console:/ # cat /proc/sys/vm/watermark_scale_factor
10Android为什么要增加extra_free_kbytes的值呢，主要目的是为了拉开watermark[WMARK_LOW]和watermark[WMARK_MIN]的距离。
下面是我从本地的ubuntu开发机截取的zoneinfo信息，可以看到,min和low的差值并不大，其中low是min的1.25倍，high是min的1.5倍。
Node 0, zone DMA
......
pages free 3977
min 16
low 20
high 24
spanned 4095
present 3998
managed 3977
protection: (0, 3116, 15719, 15719, 15719)
......
Node 0, zone DMA32
pages free 417377
min 3346
low 4182
high 5018
spanned 1044480
present 825004
managed 808543
protection: (0, 0, 12602, 12602, 12602)
......
根据上图可知
- 我们分配页的第一次尝试是从LOW水位开始分配的，当所剩余的空闲页小于LOW水位的时候，就会唤醒kswapd内核线程进行内存回收
- 如果回收内存效果很显著，当空闲页大于HIGH水位的时候，则会停止kswapd内核线程回收
- 如果回收内存效果不明显，当空闲内存直接小于MIN水位的时候，则会进行直接的内存回收（Direct reclaim），这样空闲内存就会逐渐增大
- 当回收效果依然不明显的时候，则会启动OOM杀死进程
- kswapd周期回收机制
kswapd是linux中用于页面回收的内核线程。当空闲内存的值低于low时，内存面临着一定的压力，在这次分配结束后kswapd就会被唤醒，这时内核线程kswapd开始进行页面回收，当kswapd回收页面发现此时内存终于到达了high水位，那么系统认为内存已经不再紧张了，所以将会停止进一步的操作。要注意，在这种情况下，内存分配虽然会触发内存回收，但不存在被内存回收所阻塞的问题，两者的执行关系是异步的。这里所说的“空闲内存”其实是一个zone总的空闲内存减去其lowmem_reserve的值。对于kswapd来说，要回收多少内存才算完成任务呢？只要把空闲内存的大小恢复到high对应的watermark值就可以了，当然，这取决于当前空闲内存和high值之间的差距，差距越大，需要回收的内存也就越多。low可以被认为是一个警戒水位线，而high则是一个安全的水位线。 - 内存紧缺直接回收机制
如果内存达到或者低于min时，这时说明现在内存严重不足，会触发内核直接回收操作（direct reclaim），这是一种默认的操作，此时分配器将同步等待内存回收完成，再进行内存分配。还有一种特殊情况，如果内存分配的请求是带了PF_MEMALLOC标志位的，并且现在空闲内存的大小可以满足本次内存分配的需求，那么也将是先分配，再回收。
使用PF_MEMALLOC(PF表示per-process flag)相当于是忽略了watermark，因此它对应的内存分配的标志是ALLOC_NO_WATERMARk。能够获取"min"值以下的内存，也意味着该process有动用几乎所有内存的权力，因此它也对应GFP的标志__GFP_MEMALLOC。
if (gfp_mask & __GFP_MEMALLOC)
return ALLOC_NO_WATERMARKS;
if (alloc_flags & ALLOC_NO_WATERMARKS)
set_page_pfmemalloc(page);
可在内存严重短缺的时候，拥有不等待回收而强行分配内存的权力的进程其实可以想到kswapd，因为kswapd本身就是负责回收内存的，它只需要占用一小部分内存支撑其正常运行，就可以去回收更多的内存。
虽然kswapd是在low到min的这段区间被唤醒加入调度队列的，但当它真正执行的时候，空闲内存的值可能已经掉到min以下了。可见，min值存在得一个意义是保证像kswapd这样得特殊任务能够在需要得时候立刻获取所需得内存。
比如下面ubunut的水位，其中min=16, low=20, high=24
比如当前空闲内存是在LOW水位以及MIN以上，这时候后台会启动kswapd内核线程进行进程内存回收，假设这时候突然有个很大的进程需要很大的内存请求，这样一来kswapd回收速度赶不上分配速度，内存一下掉到了MIN水位，这样直接就触发了直接内存回收，直接回收很影响系统性能的。这样看来linux原生的代码涉及MIN-LOW之间的间隙太小，很容易导致进入直接回收的情况的。所以在android的版本上增加了一个变量extra_free_kbytes.
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