Linux內(nèi)核中用GFP_ATOMIC申請(qǐng)內(nèi)存意味著什么

本文目的

本文補(bǔ)充校正一些Linux內(nèi)核開(kāi)發(fā)者關(guān)于GFP_ATOMIC的認(rèn)知不完整的地方，闡述GFP_ATOMIC與free內(nèi)存watermark的關(guān)系，并明確什么時(shí)候應(yīng)該用GFP_ATOMIC申請(qǐng)內(nèi)存。目錄：

1. GFP_ATOMICvs. GFP_KERNEL

2. 內(nèi)存水位，PF_MEMALLOC和GFP_ATOMIC

3. 何時(shí)使用GFP_ATOMIC（一個(gè)patch分析）

GFP_ATOMICvs. GFP_KERNEL

我們都知道，在中斷、軟中斷、spinlock等原子上下文里面，申請(qǐng)內(nèi)存，應(yīng)該使用GFP_ATOMIC標(biāo)記，譬如內(nèi)核中有大量的kmalloc/GFP_ATOMIC的例子：

對(duì)于不可睡眠的上下文，如果我們用常規(guī)的GFP_KERNEL這樣的標(biāo)記去申請(qǐng)內(nèi)存，可能引發(fā)直接的內(nèi)存reclaim，從而引起睡眠，所以GFP_KERNEL這種標(biāo)記只適合進(jìn)程上下文調(diào)用：

GFP_KERNEL的標(biāo)記可以引發(fā)直接的內(nèi)存回收，從而導(dǎo)致進(jìn)程阻塞睡眠，這在原子上下文顯然是不允許的。

#define GFP_KERNEL (__GFP_RECLAIM | __GFP_IO | __GFP_FS) #define __GFP_RECLAIM ((__force gfp_t)(___GFP_DIRECT_RECLAIM|___GFP_KSWAPD_RECLAIM)

內(nèi)存水位，PF_MEMALLOC和GFP_ATOMIC

那么GFP_ATOMIC是否僅僅意味著不能睡眠呢？檔案是否定的，GFP_ATOMIC還與內(nèi)存reclaim的水位相關(guān)。下面這個(gè)圖是講述水位watermark的一個(gè)著名的圖，筆者懶得畫(huà)了，直接從網(wǎng)下copy過(guò)來(lái)：

在Linux中，內(nèi)存有3個(gè)水位：

HIGH:系統(tǒng)的free內(nèi)存大于HIGH水位的時(shí)候，是一個(gè)相對(duì)保險(xiǎn)的值，不需要急著做內(nèi)存回收（reclaim）；

LOW: 系統(tǒng)的free內(nèi)存達(dá)到LOW水位的時(shí)候，啟動(dòng)后臺(tái)kswapd進(jìn)行內(nèi)存回收，回收的目標(biāo)是讓空閑內(nèi)存達(dá)到HIGH水位；

MIN：系統(tǒng)應(yīng)該保有的最小free內(nèi)存，當(dāng)空閑內(nèi)存達(dá)到這個(gè)值的時(shí)候，kswapd的后臺(tái)回收可能來(lái)不及了，一般用戶在申請(qǐng)內(nèi)存的時(shí)候，進(jìn)行DIRECT RECLAIM。

min水位一般是系統(tǒng)自動(dòng)換算的，其具體值可以從/proc看出：

# cat /proc/sys/vm/min_free_kbytes 45056

而LOW水位一般是min*125%，HIGH 一般是min*150%。

MIN水位以下的內(nèi)存，只能被緊急情況下的用戶申請(qǐng)到，最著名的緊急用戶莫過(guò)于PF_MEMALLOC用戶，task_struct設(shè)置了這個(gè)標(biāo)記表示忽略MIN水位。比如回收內(nèi)存的代碼本身也可能需要申請(qǐng)內(nèi)存，這個(gè)時(shí)候我們應(yīng)該給它無(wú)限制的申請(qǐng)能力。典型地，比如kswapd就設(shè)置了這個(gè)標(biāo)記，這個(gè)代碼里面的注釋也非常精彩：

如果我們不允許回收內(nèi)存的代碼申請(qǐng)min以下的內(nèi)存，則回收內(nèi)存的代碼可以觸發(fā)回收內(nèi)存，這樣“子子孫孫，無(wú)窮匱也”。

當(dāng)然，PF_MEMALLOC不是唯一的緊急用戶，GFP_ATOMIC實(shí)際也是一個(gè)“半緊急”任務(wù)：

說(shuō)它“緊急”，是因?yàn)槿绻由舷挛纳暾?qǐng)內(nèi)存失敗，往往意味著相應(yīng)的中斷、軟中斷、spinlock內(nèi)部的代碼就會(huì)執(zhí)行失敗，而我們又不會(huì)因?yàn)檫@種失敗，而去嘗試內(nèi)存回收，這顯然比較慘，我們應(yīng)該盡可能讓GFP_ATOMIC申請(qǐng)成功；

說(shuō)它“半”，是因?yàn)樗恢劣诰o急到PF_MEMALLOC這個(gè)程度，如果我們給它無(wú)限地申請(qǐng)到free內(nèi)存為0的權(quán)力，則會(huì)導(dǎo)致PF_MEMALLOC沒(méi)有內(nèi)存了。想想，如果征糧隊(duì)的人都餓死了，還怎么去征糧呢？

所以，內(nèi)存的設(shè)計(jì)選擇是，當(dāng)有人用GFP_ATOMIC申請(qǐng)內(nèi)存的時(shí)候，允許它從MIN水位以下，申請(qǐng)一定數(shù)量的內(nèi)存。什么叫“一定數(shù)量”呢？就是不能讓GFP_ATOMIC導(dǎo)致free 內(nèi)存觸底，GFP_ATOMIC還包含了高優(yōu)先級(jí)的含義：

#define GFP_ATOMIC (__GFP_HIGH|__GFP_ATOMIC|__GFP_KSWAPD_RECLAIM)

注意這個(gè)里面的__GFP_HIGH不是HIGHMEM高端內(nèi)存的意思，而是高優(yōu)先級(jí)。

當(dāng)我們用GFP_ATOMIC申請(qǐng)內(nèi)存的時(shí)候，內(nèi)核的水位檢查代碼，會(huì)允許我們觸及到MIN水位以下的1/2：

那么，“魔鬼”就是在畫(huà)紅圈的2行代碼。但是，如果我們進(jìn)一步深究，會(huì)發(fā)現(xiàn)，GFP_ATOMIC不只是觸及1/2*min，它甚至可以觸及1/4*min，因?yàn)镚FP_ATOMIC中的__GFP_HIGH讓ALLOC_HIGH成立，而__GFP_ATOMIC讓ALLOC_HARDER成立：

所以，“魔鬼”又隱藏在了gfp_to_alloc_flags()的細(xì)節(jié)里。

一個(gè)patch的例子

在具體的工程實(shí)戰(zhàn)中，我們建議：

原子上下文使用GFP_ATOMIC

比如在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)drivers/net/ethernet中，就有大量的案例

在內(nèi)存緊急的路徑上（比如不想睡眠，要求低延遲；或者要求內(nèi)存吃緊的情況下，仍然可以從min水位以下申請(qǐng)內(nèi)存），哪怕是進(jìn)程上下文，我們也建議可以考慮使用GFP_ATOMIC

比如田濤童鞋最近在mm/zswap.c發(fā)的RFC patch：

https://lore.kernel.org/linux-mm/1608894171-54174-2-git-send-email-tiantao6@hisilicon.com/

上面2個(gè)地方，其實(shí)都是可以睡眠的進(jìn)程上下文，但是我們認(rèn)為在frontendswap的路徑上，我們對(duì)延遲敏感，對(duì)swap內(nèi)存過(guò)程中進(jìn)一步引發(fā)內(nèi)存回收也擔(dān)憂，因此，這里哪怕是非原子上下文，我們也沒(méi)有使用GFP_KERNEL。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：宋寶華：Linux內(nèi)核中用GFP_ATOMIC申請(qǐng)內(nèi)存究竟意味著什么？

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