linux那些事之页迁移(page migratiom)

Page migration

页迁移技术是内核中内存管理的一种比较重要的技术，最早该技术诞生于NUMA系统中（Page migration [LWN.net]），后续由于内存规整以及CMA和COW技术的出现，也需要用到页迁移技术，逐渐称为内核内存子系统中占有比较重要地位。

页迁移在NUMA系统中的应用

NUMA系统中，每个cpu运行的进程申请内存时尽量从该cpu本地节点中内存中（local memory)速度，这样才能够获得最佳内存访问性能，但是由于内核进程调度系统，当进程数量过多时，调度系统会将进程从一个cpu调度到另外一个cpu中，切换之后就会造成在旧cpu节点上申请的内存称为远程内存（remote memory)，访问内存时就会造成跨节点访问，性能较差：

如上图一个NUMA 系统说明：

• CPU0和CPU1为分别分布到node0 和node1两个节点。
• CPU0和CPU1都有各种本地节点local memory内存，各自访问local memory速度最快。
• CPU0和CPU1之间一般在一个NUMA系统中都拥有高速互联技术，将两个节点cpu互联，两者之前可以相互访问。
• CPU0的local memory相对于CPU1来说为CPU1 的remote memory远程内存。
• CPU0和CPU1都可以通过高速互联技术访问remote memory。比如CPU0 访问CPU1的local memory需要通过高速互联通道。
• 针对NUMA系统，访问remote memory速度要比访问remote memory内存慢得多，因为中间需要通过remote memory。

如有一个P0线程，开始是运行在cpu0节点上，后续由于调度系统发生迁移到CPU1上，为提高性能就会发生页迁移动作

• 刚开始时进程P0运行在node 0节点中，此时根据就近原则，申请的内存都位于node 0的local memory。
• 由于内核调度原因，进程P0被调度到CPU1上运行，此时P0访问内存需要通过高速互联通道，才能放问到之前在CPU0上申请的内存，效率变低。
• 由于P0被切换到CPU1上运行不在本节点上，会触发NUMA balance 从而发生页迁移，将CPU0上的属于P0的内存迁移到CPU1的本地节点上。
• 迁移之后，CPU1的P0不再访问远程节点内存，而是访问到本地节点内存。

一般在NUMA系统中由于进程调度造成 正在运行的进程切换节点，由于访问远程节点开销，在NUMA系统中经常会出现一个性能抖动，通过页迁移技术之后，性能又得到恢复，因此在NUMA系统中要尽量避免进程在节点之前进行切换。

页迁移在内存规整中应用

内存规整技术是Mel Gormal开发的解决内存碎片化技术的第二个部分：

系统在经长期运行之后，会产生比较严重的碎片化，内核采用各种技术对内存碎片化进行优化，启动内存规整技术就是一个比较重要的技术。通过内存规整技术，将不连续的分散使用的物理内存通过页迁移技术将其集合在一起，以便腾出连续空闲物理内存，给大片内存使用。

内核还提供了一种手动启动内存规整方法：

echo 1 >/proc/sys/vm/compact_memory

页迁移在CMA中应用

CMA为解决DMA申请连续物理内存必须做预留造成内存浪费问题，专门划分出一块区域给CMA使用：

当位于CMA are中的内存被MOVE类型申请占有之后，如果调用dma_alloc_contiguous申请连续物理内存之后，发现cma are内内存被占有，会启动页迁移功能将将move类型内存迁移到are之外，以腾出连续可用物理内存。

以上是三个比较经常使用到的page migrate 场景，当然还有其他场景也会使用到例如cow、透明巨页等场景。

migrate_pages 系统调用

页迁移不仅仅是内核自动触发进行迁移，还提供了系统调用，供用户层进行根据情况使用：

#include <numaif.h>

long migrate_pages(int pid, unsigned long maxnode,
                          const unsigned long *old_nodes,
                          const unsigned long *new_nodes);

系统调用是尝试将指定old_nodes节点上属于进程pid的所有物理页迁移到new_nodes新节点上。

入参：

• int pid:所要迁移的进程id。
• unsigned long maxnode：在mask中最大节点 number。
• const unsigned long *old_nodes：采用bit 位方式，表示旧节点。
• const unsigned long *new_nodes：新节点，同意采用bit mask形式。
  
  特别需要说明的是 使用该系统调用需要链接numa库-lnuma。

整个页迁移组成大概如下：

系统调用migrate_pages通过中断陷入内核中调用kernel_migrate_pages，最终调用内核函数migrate_pages实施页迁移。

内核migrate_pages函数如果是huge pge则调用unmap_move_huge_page将旧的huge page 对应所有进程pte 接触，然后申请新的huge page 并将old huge page内存copy到new page中，最后并刷新映射。

如果是normal page则调用unmap_and_move处理类似同样 接触旧page所有进程映射，申请新page 并同步page内存以及迁移页表。

触发页迁移主要函数梳理

以下是整理会触发page migration主要一些情况：

• 可以看到所有触发页迁移之后，都需要将要迁移的page 都isolate出去，防止触发swap等并发分配或者是否要迁移page 场景。

• migrate_pages系统调用可以由用户根据情况进行页迁移

• kcompact内核线程：每个内存节点都会创建一个kcompactd内核线程，名称为kcompactd，每个节点都由一个kcompactd线程用于内存规整

• 内存热插拔：内存下线时，需要将该内存迁移到另外一个节点 防止数据丢失。

• move_pages:为另外一个系统调用，用于将指定进程的页面迁移到新节点。

• 系统长时间运行之后，可以通过sys和proc进行手动规整：

  • /proc/sys/vm/compact_memory：用于对当前系统所有进程的内存进行规整
  • sys/devices/system/node/node/compact： 用于手动指定单个节点进行内存规整。

• 当系统物理内存处于较低min watermark时，会通过__alloc_pages_direct_compact直接触发内存规整。

• 当进程在numa节点中发生迁移，会触发numa balance，将物理内存迁移到对应节点中。

• 当cma are中内存被move 类型内存占有，进行cma申请连续物理内存是会触发物理页迁移。

• get_user_pages类似函数申请内存是，对cma are进行检查有可能会触发物理页迁移。

• 当内核配置CONFIG_MEMORY_FAILURE，内存处理过程中如果出现memory failed会进行页迁移

migrate_pages

函数定义说明

内核migrate_pages函数为实施页迁移函数入口，函数定义如下：

int migrate_pages(struct list_head *from, new_page_t get_new_page,
		free_page_t put_new_page, unsigned long private,
		enum migrate_mode mode, int reason)

参数：

• struct list_head *from：所要迁移的物理page（使用page->lru双向链表，故传递给的page都被isolate出来，既不属于buddy也不属于lru，可以防止其他进程在迁移过程中对该page进行swap out或者规整动作或者释放）。
• new_page_t get_new_page：申请新page 钩子函数。
• free_page_t put_new_page：释放page钩子函数。
• unsigned long private：私有数据
• enum migrate_mode mode：迁移模式
• int reason：迁移原因。

migrate_mode

migrate_mode迁移模式主要有以下几个：

• MIGRATE_ASYNC //异步迁移，过程中不会发生阻塞。
• MIGRATE_SYNC_LIGHT //轻度同步迁移，允许大部分的阻塞操作，唯独不允许脏页的回写操作。
• MIGRATE_SYNC //同步迁移，迁移过程会发生阻塞，若需要迁移的某个page正在writeback或被locked会等待它完成
• MIGRATE_SYNC_NO_COPY //同步迁移，但不等待页面的拷贝过程。页面的拷贝通过回调migratepage()，过程可能会涉及DMA

migrate reason

用于说明迁移原因：

• MR_COMPACTION //内存规整导致的迁移
• MR_MEMORY_FAILURE //当内存出现硬件问题(ECC校验失败等)时触发的页面迁移。 参考memory-failure.c
• MR_MEMORY_HOTPLUG //内存热插拔导致的迁移
• MR_SYSCALL //应用层主动调用migrate_pages()或move_pages()触发的迁移。
• MR_MEMPOLICY_MBIND //调用mbind系统调用设置memory policy时触发的迁移
• MR_NUMA_MISPLACED //numa balance触发的页面迁移(node之间)
• MR_CONTIG_RANGE //调用alloc_contig_range()为CMA或HugeTLB分配连续内存时触发的迁移(和compact相关)。

内核migrate_pages处理相对来说比较复杂，内核文档（Page migration — The Linux Kernel documentation）中给出了 迁移过程说明：

migrate_pages分析

该上述过程分散穿插到代码过程中，migrate_pages（mm\migrate.c文件中）：

• migrate_pages：遍历from中的每一个page进程处理（特别需要注意的是该page都为isolate，不属于任何LRU)。
• page 如果是huge page则调用unmap_and_move_huge_page进行去映射和物理页迁移。
• page如果是normal page则调用unmap_and_move，进行去映射和物理页迁移，两者处理思路一样，就以unmap_and_move为准进行说明。
• thp如果没有开启，但是该page属于trans huge page，不进行任何处理及不进行迁移。
• page reference 为1时，说明该物理页已经没有进程在使用，可以直接是否（等于1是因为isolate page占有一个计数）。
• page reference大于1时，需要进行物理页迁移，迁移过程主要由三个步骤：

1. 调用get_new_page申请新的page，为迁移做准备。
2. 调用__unmap_and_move，准备将旧的page 迁移到新page中，并且将旧page中的所有反向映射中的进程对应pte都进行刷新migrate type，防止在迁移过程中有进程在继续访问旧page.，page迁移完成之后，再通过反向映射将pte都刷新成新的page
3. page迁移完成之后，将旧page 释放掉，如果计数为0，则释放到buddy中。

__unmap_and_move

__unmap_and_move为实施页迁移具体函数，整个处理过程思路如下：

比较几个关键处理：

• 第一阶段：trylock_page对old page和new page都上锁，防止有其他进程在操作该页，此时旧page还是可以正常访问。
• 第二阶段：move_to_new_page:进行页 迁移，此时先将旧page中对应所有进程pte都刷新成migrate type，这样有其他进程访问该旧
• 第三阶段：remove_migration_ptes：进行页表迁移，通过反向映射将pte都刷新成对应新page，后续访问通过page table转换就可以访问到新page.
  
  最后将旧page和新page 都解锁unlock_page。

__unmap_and_move代码如下：

static int __unmap_and_move(struct page *page, struct page *newpage,
				int force, enum migrate_mode mode)
{
	int rc = -EAGAIN;
	int page_was_mapped = 0;
	struct anon_vma *anon_vma = NULL;
	bool is_lru = !__PageMovable(page);

	if (!trylock_page(page)) {
		if (!force || mode == MIGRATE_ASYNC)
			goto out;

		/*
		 * It's not safe for direct compaction to call lock_page.
		 * For example, during page readahead pages are added locked
		 * to the LRU. Later, when the IO completes the pages are
		 * marked uptodate and unlocked. However, the queueing
		 * could be merging multiple pages for one bio (e.g.
		 * mpage_readahead). If an allocation happens for the
		 * second or third page, the process can end up locking
		 * the same page twice and deadlocking. Rather than
		 * trying to be clever about what pages can be locked,
		 * avoid the use of lock_page for direct compaction
		 * altogether.
		 */
		if (current->flags & PF_MEMALLOC)
			goto out;

		lock_page(page);
	}

	if (PageWriteback(page)) {
		/*
		 * Only in the case of a full synchronous migration is it
		 * necessary to wait for PageWriteback. In the async case,
		 * the retry loop is too short and in the sync-light case,
		 * the overhead of stalling is too much
		 */
		switch (mode) {
		case MIGRATE_SYNC:
		case MIGRATE_SYNC_NO_COPY:
			break;
		default:
			rc = -EBUSY;
			goto out_unlock;
		}
		if (!force)
			goto out_unlock;
		wait_on_page_writeback(page);
	}

	/*
	 * By try_to_unmap(), page->mapcount goes down to 0 here. In this case,
	 * we cannot notice that anon_vma is freed while we migrates a page.
	 * This get_anon_vma() delays freeing anon_vma pointer until the end
	 * of migration. File cache pages are no problem because of page_lock()
	 * File Caches may use write_page() or lock_page() in migration, then,
	 * just care Anon page here.
	 *
	 * Only page_get_anon_vma() understands the subtleties of
	 * getting a hold on an anon_vma from outside one of its mms.
	 * But if we cannot get anon_vma, then we won't need it anyway,
	 * because that implies that the anon page is no longer mapped
	 * (and cannot be remapped so long as we hold the page lock).
	 */
	if (PageAnon(page) && !PageKsm(page))
		anon_vma = page_get_anon_vma(page);

	/*
	 * Block others from accessing the new page when we get around to
	 * establishing additional references. We are usually the only one
	 * holding a reference to newpage at this point. We used to have a BUG
	 * here if trylock_page(newpage) fails, but would like to allow for
	 * cases where there might be a race with the previous use of newpage.
	 * This is much like races on refcount of oldpage: just don't BUG().
	 */
	if (unlikely(!trylock_page(newpage)))
		goto out_unlock;

	if (unlikely(!is_lru)) {
		rc = move_to_new_page(newpage, page, mode);
		goto out_unlock_both;
	}

	/*
	 * Corner case handling:
	 * 1. When a new swap-cache page is read into, it is added to the LRU
	 * and treated as swapcache but it has no rmap yet.
	 * Calling try_to_unmap() against a page->mapping==NULL page will
	 * trigger a BUG.  So handle it here.
	 * 2. An orphaned page (see truncate_complete_page) might have
	 * fs-private metadata. The page can be picked up due to memory
	 * offlining.  Everywhere else except page reclaim, the page is
	 * invisible to the vm, so the page can not be migrated.  So try to
	 * free the metadata, so the page can be freed.
	 */
	if (!page->mapping) {
		VM_BUG_ON_PAGE(PageAnon(page), page);
		if (page_has_private(page)) {
			try_to_free_buffers(page);
			goto out_unlock_both;
		}
	} else if (page_mapped(page)) {
		/* Establish migration ptes */
		VM_BUG_ON_PAGE(PageAnon(page) && !PageKsm(page) && !anon_vma,
				page);
		try_to_unmap(page,
			TTU_MIGRATION|TTU_IGNORE_MLOCK|TTU_IGNORE_ACCESS);
		page_was_mapped = 1;
	}

	if (!page_mapped(page))
		rc = move_to_new_page(newpage, page, mode);

	if (page_was_mapped)
		remove_migration_ptes(page,
			rc == MIGRATEPAGE_SUCCESS ? newpage : page, false);

out_unlock_both:
	unlock_page(newpage);
out_unlock:
	/* Drop an anon_vma reference if we took one */
	if (anon_vma)
		put_anon_vma(anon_vma);
	unlock_page(page);
out:
	/*
	 * If migration is successful, decrease refcount of the newpage
	 * which will not free the page because new page owner increased
	 * refcounter. As well, if it is LRU page, add the page to LRU
	 * list in here. Use the old state of the isolated source page to
	 * determine if we migrated a LRU page. newpage was already unlocked
	 * and possibly modified by its owner - don't rely on the page
	 * state.
	 */
	if (rc == MIGRATEPAGE_SUCCESS) {
		if (unlikely(!is_lru))
			put_page(newpage);
		else
			putback_lru_page(newpage);
	}

	return rc;
}