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Linux中的冷熱頁機(jī)制簡述

 更新時(shí)間:2016年09月13日 16:49:17   作者:是非之地  
這篇文章主要為大家詳細(xì)介紹了Linux中的冷熱頁機(jī)制,什么是冷熱頁?為什么要有冷熱頁?感興趣的小伙伴們可以參考一下

什么是冷熱頁? 

在Linux Kernel的物理內(nèi)存管理的Buddy System中,引入了冷熱頁的概念。冷頁表示該空閑頁已經(jīng)不再高速緩存中了(一般是指L2 Cache),熱頁表示該空閑頁仍然在高速緩存中。冷熱頁是針對于每CPU的,每個(gè)zone中,都會針對于所有的CPU初始化一個(gè)冷熱頁的per-cpu-pageset. 

為什么要有冷熱頁? 

作用有3點(diǎn):

 Buddy Allocator在分配order為0的空閑頁的時(shí)候,如果分配一個(gè)熱頁,那么由于該頁已經(jīng)存在于L2 Cache中了。CPU寫訪問的時(shí)候,不需要先把內(nèi)存中的內(nèi)容讀到Cache中,然后再寫。如果分配一個(gè)冷頁,說明該頁不在L2 Cache中。一般情況下,盡可能用熱頁,是容易理解的。什么時(shí)候用冷頁呢?While allocating a physical page frame, there is a bit specifying whether we would like a hot or a cold page (that is, a page likely to be in the CPU cache, or a page not likely to be there). If the page will be used by the CPU, a hot page will be faster. If the page will be used for device DMA the CPU cache would be invalidated anyway, and a cold page does not waste precious cache contents. 

簡單翻譯一下:當(dāng)內(nèi)核分配一個(gè)物理頁框時(shí),有一些規(guī)范來約束我們是分配熱頁還是冷頁。當(dāng)頁框是CPU使用的,則分配熱頁。當(dāng)頁框是DMA設(shè)備使用的,則分配冷頁。因?yàn)镈MA設(shè)備不會用到CPU高速緩存,所以沒必要使用熱頁。
 Buddy System在給某個(gè)進(jìn)程分配某個(gè)zone中空閑頁的時(shí)候,首先需要用自旋鎖鎖住該zone,然后分配頁。這樣,如果多個(gè)CPU上的進(jìn)程同時(shí)進(jìn)行分配頁,便會競爭。引入了per-cpu-set后,當(dāng)多個(gè)CPU上的進(jìn)程同時(shí)分配頁的時(shí)候,競爭便不會發(fā)生,提高了效率。另外當(dāng)釋放單個(gè)頁面時(shí),空閑頁面首先放回到per-cpu-pageset中,以減少zone中自旋鎖的使用。當(dāng)頁面緩存中的頁面數(shù)量超過閥值時(shí),再將頁面放回到伙伴系統(tǒng)中。

使用每CPU冷熱頁還有一個(gè)好處是,能保證某個(gè)頁一直黏在1個(gè)CPU上,這有助于提高Cache的命中率。

冷熱頁的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

 struct per_cpu_pages {
  int count;    // number of pages in the list
  int high;    // high watermark, emptying needed
  int batch;    // chunk size for buddy add/remove
   // Lists of pages, one per migrate type stored on the pcp-lists
   每個(gè)CPU在每個(gè)zone上都有MIGRATE_PCPTYPES個(gè)冷熱頁鏈表(根據(jù)遷移類型劃分)
   struct list_head lists[MIGRATE_PCPTYPES];
 }; 

在Linux中,對于UMA的架構(gòu),冷熱頁是在一條鏈表上進(jìn)行管理。熱頁在前,冷頁在后。CPU每釋放一個(gè)order為0的頁,如果per-cpu-pageset中的頁數(shù)少于其指定的閾值,便會將釋放的頁插入到冷熱頁鏈表的開始處。這樣,之前插入的熱頁便會隨著其后熱頁源源不斷的插入向后移動,其頁由熱變冷的幾率便大大增加。 

怎樣分配冷熱頁 

在分配order為0頁的時(shí)候(冷熱頁機(jī)制只處理單頁分配的情況),先找到合適的zone,然后根據(jù)需要的migratetype類型定位冷熱頁鏈表(每個(gè)zone,對于每個(gè)cpu,有3條冷熱頁鏈表,對應(yīng)于:MIGRATE_UNMOVABLE、MIGRATE_RECLAIMABLE、MIGRATE_MOVABLE)。若需要熱頁,則從鏈表頭取下一頁(此頁最“熱”);若需要冷頁,則從鏈表尾取下一頁(此頁最“冷”)。 

分配函數(shù)(關(guān)鍵部分已添加注釋):

 /*
 * Really, prep_compound_page() should be called from __rmqueue_bulk(). But
 * we cheat by calling it from here, in the order > 0 path. Saves a branch
 * or two.
 */
static inline
struct page *buffered_rmqueue(struct zone *preferred_zone,
   struct zone *zone, int order, gfp_t gfp_flags,
   int migratetype)
{
 unsigned long flags;
 struct page *page;
 //分配標(biāo)志是__GFP_COLD才分配冷頁
 int cold = !!(gfp_flags & __GFP_COLD);
again:
 if (likely(order == 0)) {
  struct per_cpu_pages *pcp;
  struct list_head *list;
  local_irq_save(flags);
  pcp = &this_cpu_ptr(zone->pageset)->pcp;
  list = &pcp->lists[migratetype];
  if (list_empty(list)) {
   //如果缺少頁,則從Buddy System中分配。
   pcp->count += rmqueue_bulk(zone, 0,
     pcp->batch, list,
     migratetype, cold);
   if (unlikely(list_empty(list)))
    goto failed;
  }
  if (cold)
  //分配冷頁時(shí),從鏈表尾部分配,list為鏈表頭,list->prev表示鏈表尾
   page = list_entry(list->prev, struct page, lru);
  else
  //分配熱頁時(shí),從鏈表頭分配
   page = list_entry(list->next, struct page, lru);
  //分配完一個(gè)頁框后從冷熱頁鏈表中刪去該頁
  list_del(&page->lru);
  pcp->count--;
 } else {//如果order!=0(頁框數(shù)>1),則不從冷熱頁鏈表中分配
  if (unlikely(gfp_flags & __GFP_NOFAIL)) {
   /*
    * __GFP_NOFAIL is not to be used in new code.
    *
    * All __GFP_NOFAIL callers should be fixed so that they
    * properly detect and handle allocation failures.
    *
    * We most definitely don't want callers attempting to
    * allocate greater than order-1 page units with
    * __GFP_NOFAIL.
    */
   WARN_ON_ONCE(order > 1);
  }
  spin_lock_irqsave(&zone->lock, flags);
  page = __rmqueue(zone, order, migratetype);
  spin_unlock(&zone->lock);
  if (!page)
   goto failed;
  __mod_zone_page_state(zone, NR_FREE_PAGES, -(1 << order));
 }
 __count_zone_vm_events(PGALLOC, zone, 1 << order);
 zone_statistics(preferred_zone, zone, gfp_flags);
 local_irq_restore(flags);
 VM_BUG_ON(bad_range(zone, page));
 if (prep_new_page(page, order, gfp_flags))
  goto again;
 return page;
failed:
 local_irq_restore(flags);
 return NULL;
}

以上就是本文的全部內(nèi)容,希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。

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