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Linux 内存管理的水位控制

2021/05/27
372
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分区页框分配器之水位

在讲分区页框分配器分配内存的时候,进入伙伴算法前用函数zone_watermark_fast(),来根据水位来判断当前内存情况。内存够的话采用伙伴算法分配,不够的话通过 node_reclaim 回收内存。

 

水位的初始化

先看下水位的初始化:

int __meminit init_per_zone_wmark_min(void)
{
        unsigned long lowmem_kbytes;
        int new_min_free_kbytes;

        lowmem_kbytes = nr_free_buffer_pages() * (PAGE_SIZE >> 10);      ------ (1)  
        new_min_free_kbytes = int_sqrt(lowmem_kbytes * 16);

        if (new_min_free_kbytes > user_min_free_kbytes) {
                min_free_kbytes = new_min_free_kbytes;                   ------ (2)
                if (min_free_kbytes < 128)
                        min_free_kbytes = 128;
                if (min_free_kbytes > 65536)
                        min_free_kbytes = 65536;
        } else {
                pr_warn("min_free_kbytes is not updated to %d because user defined value %d is preferredn",
                                new_min_free_kbytes, user_min_free_kbytes);
        }
        setup_per_zone_wmarks();                                         ------ (3)
        refresh_zone_stat_thresholds();
        setup_per_zone_lowmem_reserve();                                 ------ (4)

#ifdef CONFIG_NUMA
        setup_min_unmapped_ratio();
        setup_min_slab_ratio();
#endif

        return 0;
}
core_initcall(init_per_zone_wmark_min)

(1). nr_free_buffer_pages 是获取ZONE_DMA和ZONE_NORMAL区中高于high水位的总页数nr_free_buffer_pages = managed_pages - high_pages

(2). min_free_kbytes 是总的min大小,min_free_kbytes = 4 * sqrt(lowmem_kbytes)

(3). setup_per_zone_wmarks 根据总的min值,再加上各个zone在总内存中的占比,然后通过do_div就计算出他们各自的min值,进而计算出各个zone的水位大小。min,low,high的关系:low = min *125%,high = min * 150%。min,low,high之间的比例关系与 watermark_scale_factor 相关。可以通过 /proc/sys/vm/watermark_scale_factor 设置

(4). setup_per_zone_lowmem_reserve 设置每个zone的lowmem_reserve大小。lowmem_reserve值可以通过 /proc/sys/vm/lowmem_reserve_ratio 来修改。

为什么需要设置每个zone的保留内存呢,lowmem_reserve的作用是什么?

我们知道内核在分配内存时,会按照 HIGHMEM->NORMAL->DMA 的方向进行遍历,如果当前Zone分配失败,就会尝试下一个低级的Zone。我们可以想像应用进程通过内存映射申请 HIGHMEM,如果此时HIGHMEM Zone无法满足分配,则会尝试从 NORMAL 进行分配。这就有一个问题,来自 HIGHMEM Zone 的请求可能会耗尽 NORMAL Zone 的内存,最终的结果就是 NORMAL Zone 无内存提供给内核的正常分配。

因此针对这个场景,可以通过保留内存 lowmem_reserve[NORMAL] 给 NORMAL Zone 自己使用。

同样当从NORMAL Zone失败后,会尝试从zonelist中的DMA Zone申请,通过lowmem_reserve[DMA],限制来自HIGHMEM和NORMAL的分配请求。

$ cat /proc/sys/vm/lowmem_reserve_ratio
256     32     
$ cat /proc/zoneinfo
Node 0, zone    DMA32
    ......
    pages free     361678
        min      674
        low      2874
        high     3314
        spanned  523776
        present  496128
        managed  440432
        protection: (0, 3998, 3998)
    ......
Node 0, zone   Normal
    pages free     706981
        min      1568
        low      6681
        high     7704
        spanned  8912896
        present  1048576
        managed  1023570
        protection: (0, 0, 0)
    ......
Node 0, zone  Movable
  pages free     0
        min      0
        low      0
        high     0
        spanned  0
        present  0
        managed  0
        protection: (0, 0, 0)
  • spanned:表示当前zone所包含的所有的pagespresent:表示当前zone在去掉第一阶段kernel reserve的内存之后剩下的pagesmanaged:表示当前zone去掉初始化完成以后所有的kernel reserve的内存剩下的pages

结合上面arm64平台的数值举个例子,假设这2个Zones分别包含440432, 1023570个pages(实际是/proc/zoneinfo里字段managed的值)。如下图所示,使用每个区域的 managed pages 和 lowmem_reserve_ratio 计算每个区域的lowmem_reserve值,可以看出结果和protection值一样。

 

水位的判断

 

从这张图可以看出:

  • 如果空闲页数目min值,则该zone非常缺页,页面回收压力很大,应用程序写内存操作就会被阻塞,直接在应用程序的进程上下文中进行回收,即direct reclaim。如果空闲页数目小于low值,kswapd线程将被唤醒。默认情况下,low值为min值的125%,可以通过修改watermark_scale_factor来改变比例值如果空闲页面的值大于high值,kswapd线程将睡眠。

默认情况下,high值为min值的150%,可以通过修改watermark_scale_factor来改变比例值。

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