Linux内存管理(8)zoned page frame allocator--3(对watermark的理解)

作者 by adtxl / 2022-02-08 / 暂无评论 / 331 个足迹

转载自https://www.cnblogs.com/LoyenWang/p/11708255.html

根据其它博客和自己的理解添加修改了一些内容

1. 概述

本文将分析watermark。
简单来说,在使用zoned page frame allocator分配页面时,会将可用的free pages与zone的watermark进行比较,以便确定是否分配内存。
同时watermark也用来决定kswapd内核线程的睡眠与唤醒,以便对内存进行检索和压缩处理。

回忆一下之前提到过的struct zone结构体:

struct zone {
    /* Read-mostly fields */

    /* zone watermarks, access with *_wmark_pages(zone) macros */
    unsigned long watermark[NR_WMARK];

    unsigned long nr_reserved_highatomic;

    ....
}

enum zone_watermarks {
    WMARK_MIN,
    WMARK_LOW,
    WMARK_HIGH,
    NR_WMARK
};

#define min_wmark_pages(z) (z->watermark[WMARK_MIN])
#define low_wmark_pages(z) (z->watermark[WMARK_LOW])
#define high_wmark_pages(z) (z->watermark[WMARK_HIGH])

可以看出,总共有三种水印,并且只能通过特定的宏来访问。

  • WMARK_MIN
    内存不足的最低点,如果计算出的可用页面低于该值,则无法进行页面计数;

  • WMARK_LOW
    默认情况下,该值为WMARK_MIN的125%,此时kswapd将被唤醒,可以通过修改watermark_scale_factor来改变比例值;

  • WMARK_HIGH
    默认情况下,该值为WMARK_MAX的150%,此时kswapd将睡眠,可以通过修改watermark_scale_factor来改变比例值;

图来了:

image0c721beb208e0210.png

下边将对细节进一步分析。

2. watermark初始化

先看一下初始化的相关调用函数:

image0aac340cb0b87e1a.png

  • nr_free_buffer_pages:统计ZONE_DMAZONE_NORMAL中可用页面,managed_pages - high_pages
  • setup_per_zone_wmarks:根据min_free_kbytes来计算水印值,来一张图会比较清晰易懂:

image5cf16a84936fb82a.png

  • refresh_zone_stat_thresholds

先来回顾一下struct pglist_datastruct zone

typedef struct pglist_data {
...
struct per_cpu_nodestat __percpu *per_cpu_nodestats;
...
} pg_data_t;

struct per_cpu_nodestat {
    s8 stat_threshold;
    s8 vm_node_stat_diff[NR_VM_NODE_STAT_ITEMS];
};

struct zone {
...
struct per_cpu_pageset __percpu *pageset;
...
}

struct per_cpu_pageset {
    struct per_cpu_pages pcp;
#ifdef CONFIG_NUMA
    s8 expire;
    u16 vm_numa_stat_diff[NR_VM_NUMA_STAT_ITEMS];
#endif
#ifdef CONFIG_SMP
    s8 stat_threshold;
    s8 vm_stat_diff[NR_VM_ZONE_STAT_ITEMS];
#endif
};

从数据结构中可以看出,针对Node和Zone,都有一个Per-CPU的结构来存储信息,而refresh_zone_stat_thresholds就跟这两个结构相关,用于更新这两个结构中的stat_threshold字段,具体的计算方式就不表了,此外还计算了percpu_drift_mark,这个在水印判断的时候需要用到该值。阈值的作用就是用来进行判断,从而触发某个行为,比如内存压缩处理等。

  • setup_per_zone_lowmem_reserve

设置每个zone的lowmem_reserve大小,代码中的实现逻辑如下图所示。

imagee9ab97ed8f8461f4.png

  • calculate_totalreserve_pages

计算各个zone的保留页面,以及系统的总的保留页面,其中会将high watermark看成保留页面。如图:

imagecf82dbe4e73773a9.png

3. watermark判断

老规矩,先看看函数调用关系图:

image.png

  • __zone_watermark_ok

watermark判断的关键函数,从图中的调用关系可以看出,最终的处理都是通过它来完成判断的。还是用图片来说明整体逻辑吧:

imaged46ece132d5d5a3e.png

  • zone_watermark_ok:直接调用__zone_watermark_ok,没有其他逻辑。

  • zone_watermark_fast

从名字可以看出,这个是进行快速判断,快速的体现主要是在order = 0的时候进行判断决策,满足条件时直接返回true,否则调用__zone_watermark_ok
贴个代码吧,清晰明了:

static inline bool zone_watermark_fast(struct zone *z, unsigned int order,
        unsigned long mark, int classzone_idx, unsigned int alloc_flags)
{
    long free_pages = zone_page_state(z, NR_FREE_PAGES);
    long cma_pages = 0;

#ifdef CONFIG_CMA
    /* If allocation can't use CMA areas don't use free CMA pages */
    if (!(alloc_flags & ALLOC_CMA))
        cma_pages = zone_page_state(z, NR_FREE_CMA_PAGES);
#endif

    /*
     * Fast check for order-0 only. If this fails then the reserves
     * need to be calculated. There is a corner case where the check
     * passes but only the high-order atomic reserve are free. If
     * the caller is !atomic then it'll uselessly search the free
     * list. That corner case is then slower but it is harmless.
     */
    if (!order && (free_pages - cma_pages) > mark + z->lowmem_reserve[classzone_idx])
        return true;

    return __zone_watermark_ok(z, order, mark, classzone_idx, alloc_flags,
                    free_pages);
}

  • zone_watermark_ok_safe

zone_watermark_ok_safe函数中,主要增加了zone_page_state_snapshot的调用,用来计算free_pages,这个计算过程将比直接通过zone_page_state(z, NR_FREE_PAGES)更加精确。

bool zone_watermark_ok_safe(struct zone *z, unsigned int order,
            unsigned long mark, int classzone_idx)
{
    long free_pages = zone_page_state(z, NR_FREE_PAGES);

    if (z->percpu_drift_mark && free_pages < z->percpu_drift_mark)
        free_pages = zone_page_state_snapshot(z, NR_FREE_PAGES);

    return __zone_watermark_ok(z, order, mark, classzone_idx, 0,
                                free_pages);
}

percpu_drift_maskrefresh_zone_stat_thresholds函数中设置的,这个在上文中已经讨论过了。
每个zone维护了三个字段用于页面的统计,如下:

struct zone {
...
struct per_cpu_pageset __percpu *pageset;
...
/*
 * When free pages are below this point, additional steps are taken
 * when reading the number of free pages to avoid per-cpu counter
 * drift allowing watermarks to be breached
 */
unsigned long percpu_drift_mark;
...
/* Zone statistics */
atomic_long_t       vm_stat[NR_VM_ZONE_STAT_ITEMS];
}

内核在内存管理中,读取空闲页面与watermark值进行比较,要读取正确的空闲页面值,必须同时读取vm_stat[]__percpu *pageset计算器。如果每次都读取的话会降低效率,因此设定了percpu_drift_mark值,只有在低于这个值的时候,才触发更精确的计算来保持性能。

__percpu *pageset计数器的值更新时,当计数器值超过stat_threshold值,会更新到vm_stat[]中,如下图:

image494315a76434a6f3.png

zone_watermark_ok_safe中调用了zone_page_state_snapshot,与zone_page_state的区别如下图所示:

imageab07980b5b8218dc.png

watermark的分析到此为止,收工!

独特见解