linux内存源码分析 - 伙伴系统(释放页框)

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　　翻了一下之前的文章，发现竟然忘记写内核是如何释放页框的，罪过。

　　释放页框很简单，其实只有几步

1. 检查此页是否被其他进程使用(检查页描述符的_count是否为0)。
2. 如果是释放单个页框，则优先把它放回到该CPU的单页框高速缓存链表中，如果该CPU的单页框高速缓存的页框过多，则把该CPU的页框高速缓存中的pcp->batch个页框放回伙伴系统链表中。
3. 在放回伙伴系统的过程中，会与旁边的空闲页框合并，放入更高等级的order链表中，比如释放的是两个连续页框，会检查前后是否能合成为4个连续页框，再检查是否能合成为8个，直到不能合成位置，并将这些连续页框放入对应的链表中。

　　释放页框的操作最后都会调用到__free_pages()函数，我们主要从这个函数跟踪下去，看看内核是怎么执行的。

/* 释放页框 */
void __free_pages(struct page *page, unsigned int order)
{
    /* 检查页框是否还有进程在使用，就是检查_count变量的值是否为0 */
    if (put_page_testzero(page)) {
        /* 如果是1个页框，则放回每CPU高速缓存中，如果是多个页框，则放回伙伴系统，放回CPU高速缓存中优先把其设置为热页，而不是冷页 */
        if (order == )
            free_hot_cold_page(page, false);
        else
            __free_pages_ok(page, order);
    }
}

　　热页冷页的意思就是：当一个页被释放时，默认设置为热页，因为该页可能有些地址的数据还处于映射到CPUcache的情况，当该CPU上有进程申请单个页框时，优先把这些热页分配出去，这样能提高cache命中率，提高效率。而实现方法也很简单，如果是热页，则把它加入到CPU页框高速缓存链表的链表头，如果是冷页，则加入到链表尾，如下：

void free_hot_cold_page(struct page *page, bool cold)
{
    /* 页框所处管理区 */
    struct zone *zone = page_zone(page);
    struct per_cpu_pages *pcp;
    unsigned long flags;
    /* 页框号 */
    unsigned long pfn = page_to_pfn(page);
    int migratetype;

    /* 检查 */
    if (!free_pages_prepare(page, ))
        return;

    /* 获取页框所在pageblock的页框类型 */
    migratetype = get_pfnblock_migratetype(page, pfn);
    /* 设置页框类型为pageblock的页框类型，因为在页框使用过程中，这段pageblock可以移动到了其他类型(比如MIGRATE_MOVABLE -> MIGRATE_UNMOVABLE) */
    set_freepage_migratetype(page, migratetype);
    local_irq_save(flags);
    __count_vm_event(PGFREE);

    if (migratetype >= MIGRATE_PCPTYPES) {
        /* 如果不是高速缓存类型，则放回伙伴系统 */
        if (unlikely(is_migrate_isolate(migratetype))) {
            free_one_page(zone, page, pfn, , migratetype);
            goto out;
        }
        migratetype = MIGRATE_MOVABLE;
    }

    /* 放入当前CPU高速缓存中，要以migratetype区分开来 */
    pcp = &this_cpu_ptr(zone->pageset)->pcp;
    if (!cold)
        list_add(&page->lru, &pcp->lists[migratetype]);
    else
        list_add_tail(&page->lru, &pcp->lists[migratetype]);
    pcp->count++;

    /* 当前CPU高速缓存中页框数量高于最大值，将pcp->batch数量的页框放回伙伴系统 */
    if (pcp->count >= pcp->high) {
        unsigned long batch = ACCESS_ONCE(pcp->batch);
        free_pcppages_bulk(zone, batch, pcp);
        pcp->count -= batch;
    }

out:
    local_irq_restore(flags);
}

　　我们再看看连续页框的释放，连续页框释放主要是__free_pages_ok()函数：

static void __free_pages_ok(struct page *page, unsigned int order)
{
    unsigned long flags;
    int migratetype;
    /* 获取页框号 */
    unsigned long pfn = page_to_pfn(page);

    /* 准备，各种检查 */
    if (!free_pages_prepare(page, order))
        return;

    /* 获取页框所在pageblock的页框类型 */
    migratetype = get_pfnblock_migratetype(page, pfn);
    /* 禁止中断 */
    local_irq_save(flags);
    /* 统计当前CPU一共释放的页框数 */
    __count_vm_events(PGFREE,  << order);
    /* 设置这块连续页框块的类型与所在pageblock类型一致，保存在page->index中 */
    set_freepage_migratetype(page, migratetype);
    /* 释放函数 */
    free_one_page(page_zone(page), page, pfn, order, migratetype);
    local_irq_restore(flags);
}

　　需要注意，无论在释放单页框还是连续页框时，在释放时都会获取此页所在的pageblock的类型，pageblock大小为大页的大小或者2^MAX_ORDER-1的大小，表明这段大小的内存都为一种类型(MIGRATE_MOVABALE,MIGRATE_RECLAIMABLE等)，当释放时，都会获取页所在的pageblock的类型，然后把此页设置为与pageblock一致的类型，因为有种情况是：比如一个pageblock为MIGRATE_MOVABLE类型，并且有部分页已经被使用(这些正在被使用的页都为MIGRATE_MOVABLE)，然后MIGRATE_RECLAIMABLE类型的页不足，需要从MIGRATE_MOVABLE这里获取这个pageblock到MIGRATE_RECLAIMABLE类型中，这个pageblock的类型就被修改成了MIGRATE_RECLAIMABLE，这样就造成了正在使用的页的类型会与pageblock的类型不一致。在多个连续页框释放的时候也会遇到这种情况，所以在__free_pages_ok()函数也会在释放页框的时候校对pageblock的类型并进行更改。页的类型保存在页描述page->index中。

　　无论是单个页框的释放，还是连续多个页框的释放，最后都是调用到free_one_page()函数，这个函数的第四个参数指明了order值：

static void free_one_page(struct zone *zone,
                struct page *page, unsigned long pfn,
                unsigned int order,
                int migratetype)
{
    unsigned long nr_scanned;
    /* 管理区上锁 */
    spin_lock(&zone->lock);

    /* 数据更新 */
    nr_scanned = zone_page_state(zone, NR_PAGES_SCANNED);
    if (nr_scanned)
        __mod_zone_page_state(zone, NR_PAGES_SCANNED, -nr_scanned);

    /* 内存隔离使用 */
    if (unlikely(has_isolate_pageblock(zone) ||
        is_migrate_isolate(migratetype))) {
        migratetype = get_pfnblock_migratetype(page, pfn);
    }
    /* 释放page开始的order次方个页框到伙伴系统，这些页框的类型时migratetype */
    __free_one_page(page, pfn, zone, order, migratetype);
    /* 管理区解锁 */
    spin_unlock(&zone->lock);
}

　　整个释放过程的核心函数就是__free_one_page()，里面有个算法是分析是否能够对此段页框附近的页框进行合并的，其实原理很简单，往前检查order次方个连续页框是否为空闲页框，再往后检查order次方个连续页框是否为空闲页框，如果其中一者成立，则合并，并order++，继续检查，但是注意，这些页框都必须为同一个管理区，因为伙伴系统是以管理区为单位的。如下：

static inline void __free_one_page(struct page *page,
        unsigned long pfn,
        struct zone *zone, unsigned int order,
        int migratetype)
{
    /* 保存块中第一个页框的下标，这个下标相对于管理区而言，而不是node */
    unsigned long page_idx;
    unsigned long combined_idx;
    unsigned long uninitialized_var(buddy_idx);
    struct page *buddy;
    int max_order = MAX_ORDER;

    VM_BUG_ON(!zone_is_initialized(zone));

    if (unlikely(PageCompound(page)))
        if (unlikely(destroy_compound_page(page, order)))
            return;

    VM_BUG_ON(migratetype == -);
    if (is_migrate_isolate(migratetype)) {
        /*
         * We restrict max order of merging to prevent merge
         * between freepages on isolate pageblock and normal
         * pageblock. Without this, pageblock isolation
         * could cause incorrect freepage accounting.
         */
        /* 如果使用了内存隔离，则最大的order应该为MAX_ORDER与pageblock_order+1中最小那个，实际上在没有大页的情况下，这两个值相等，如果有大页的情况下，则不一定 */
        max_order = min(MAX_ORDER, pageblock_order + );
    } else {
        __mod_zone_freepage_state(zone,  << order, migratetype);
    }

    /* page的pfn号 */
    page_idx = pfn & (( << max_order) - );

    VM_BUG_ON_PAGE(page_idx & (( << order) - ), page);
    VM_BUG_ON_PAGE(bad_range(zone, page), page);

    /* 主要，最多循环10次，每次都尽量把一个块和它的伙伴进行合并，以最小块开始 */
    while (order < max_order - ) {
        /* buddy_idx = page_idx ^ (1 << order) */
        /* buddy_idx是page_idx的伙伴的页框号 */
        /* 伙伴的页框号就是page_idx的第(1 << order)位的相反数，比如(1<<order)是4，page_idx是01110，则buddy_idx是01010，由此可见伙伴并不一定是之后的区间 */
        /*
         *      对于000000 ~ 001000这个页框号区间，假设order是3，左边是第一种情况，右边是另一种情况
         *
         *                            -----------
         *                           |           |
         *                           |           |
         *                           |           |
         * page_idx = 000100 ------> |-----------|    计算后buddy_idx = 000100
         *                           |           |
         *                           |           |
         *                           |           |
         * 计算后buddy_idx = 000000   -----------     page_idx = 000000
         */
        buddy_idx = __find_buddy_index(page_idx, order);
        /* 伙伴的页描述符，就是buddy_idx对应的页描述符 */
        buddy = page + (buddy_idx - page_idx);

        /* 检查buddy是否描述了大小为order的空闲页框块的第一个页 */
        if (!page_is_buddy(page, buddy, order))
            break;
        /*
         * Our buddy is free or it is CONFIG_DEBUG_PAGEALLOC guard page,
         * merge with it and move up one order.
         */
        if (page_is_guard(buddy)) {
            /* 设置了PAGE_DEBUG_FLAG_GUARD */
            clear_page_guard_flag(buddy);
            set_page_private(buddy, );
            if (!is_migrate_isolate(migratetype)) {
                __mod_zone_freepage_state(zone,  << order,
                              migratetype);
            }
        } else {
            /* 将伙伴从当前空闲链表中移除出来 */
            list_del(&buddy->lru);
            zone->free_area[order].nr_free--;
            rmv_page_order(buddy);
        }
        /* combined_idx 是 buddy_idx 与 page_idx 中最小的那个idx */
        combined_idx = buddy_idx & page_idx;
        page = page + (combined_idx - page_idx);
        page_idx = combined_idx;
        order++;
    }
    set_page_order(page, order);
    /* 循环结束，标记了释放的连续page已经和之后的连续页形成了一个2的order次方的连续页框块 */

    /* 检查能否再进一步合并 */
    if ((order < MAX_ORDER-) && pfn_valid_within(page_to_pfn(buddy))) {
        struct page *higher_page, *higher_buddy;
        combined_idx = buddy_idx & page_idx;
        higher_page = page + (combined_idx - page_idx);
        buddy_idx = __find_buddy_index(combined_idx, order + );
        higher_buddy = higher_page + (buddy_idx - combined_idx);
        if (page_is_buddy(higher_page, higher_buddy, order + )) {
            list_add_tail(&page->lru,
                &zone->free_area[order].free_list[migratetype]);
            goto out;
        }
    }

    /* 加入空闲块链表 */
    list_add(&page->lru, &zone->free_area[order].free_list[migratetype]);
out:
    /* 对应空闲链表中空闲块数量加1 */
    zone->free_area[order].nr_free++;
}

　　整个页框释放过程就是这样，也比较简单，或许就最后那个合并算法会稍微复杂一些。