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Linux kernel内存碎片防治技术
2019-04-02 22:08:45 】 浏览:29
Tags:Linux kernel 内存 碎片 防治 技术

Linux kernel组织管理物理内存的方式是buddy system(伙伴系统),而物理内存碎片正式buddy system的弱点之一,为了预防以及解决碎片问题,kernel采取了一些实用技术,这里将对这些技术进行总结归纳。


从buddy申请内存页,如果找不到合适的页,则会进行两步调整内存的工作,compact和reclaim。前者是为了整合碎片,以得到更大的连续内存;后者是回收不一定必须占用内存的缓冲内存。这里重点了解comact,整个流程大致如下:


并不是所有申请不到内存的场景都会compact,首先要满足order大于0,并且gfp_mask携带__GFP_FS和__GFP_IO;另外,需要zone的剩余内存情况满足一定条件,kernel称之为“碎片指数”(fragmentation index),这个值在0~1000之间,默认碎片指数大于500时才能进行compact,可以通过proc文件extfrag_threshold来调整这个默认值。fragmentation index通过fragmentation_index函数来计算:


在整合内存碎片的过程中,碎片页只会在本zone的内部移动,将位于zone低地址的页尽量移到zone的末端。申请新的页面位置通过compaction_alloc函数实现。


移动过程又分为同步和异步,内存申请失败后第一次compact将会使用异步,后续reclaim之后将会使用同步。同步过程只移动当面未被使用的页,异步过程将遍历并等待所有MOVABLE的页使用完成后进行移动。


按照可移动性将内存页分为以下三个类型:


申请内存时,根据可移动性,首先在指定类型的空闲页中申请内存,每个zone的空闲内存组织方式如下:


当在指定类型的free_area申请不到内存时,可以从备用类型挪用,挪用之后的内存就会释放到新指定的类型列表中,kernel把这个过程称为“盗用”。


备用类型优先级列表如下定义:


值得注意的是并不是所有场景都适合按可移动性组织页,当内存大小不足以分配到各种类型时,就不适合启用可移动性。有个全局变量来表示是否启用,在内存初始化时设置:


如果page_group_by_mobility_disabled,则所有内存都是不可移动的。其中有个参数决定了每个内存区域至少拥有的页,pageblock_nr_pages,它的定义如下:


在系统初始化期间,所有页都被标记为MOVABLE:


其它可移动性类型的页都是后来产生的,也就是前面说的“盗取”。在这种情况发生时,通常会“盗取”fallback中更高优先级、更大块连续的页,从而避免小碎片的产生。


可以通过/proc/pageteypeinfo查看当前系统各种类型的页分布。


在依据可移动性组织页的技术之前,还有一个方法已经合入kernel,那就是虚拟内存域:ZONE_MOVABLE。基本思想很简单:把内存分为两部分,可移动的和不可移动的。


ZONE_MOVABLE的启用需要指定kernel参数kernelcore或者movablecore,kernelcore用来指定不可移动的内存数量,movablecore指定可移动的内存大小,如果两个都指定,取不可移动内存数量较大的一个。如果都不指定,则不启动。


与其它内存域不同的是ZONE_MOVABLE不关联任何物理内存范围,该域的内存取自高端内存域或者普通内存域。find_zone_movable_pfns_for_nodes用来计算每个node中ZONE_MOVABLE的内存数量,采用的内存区域通常是每个node的最高内存域,在函数find_usable_zone_for_movable中体现。


在对每个node分配ZONE_MOVABLE内存时,kernelcore会被平均分配到各个Node:


在kernel alloc page时,如果gfp_flag同时指定了__GFP_HIGHMEM和__GFP_MOVABLE,则会从ZONE_MOVABLE内存域申请内存。



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