你知道linux kernel內(nèi)存碎片防治技術(shù)？

Linux kernel組織管理物理內(nèi)存的方式是buddy system（伙伴系統(tǒng)），而物理內(nèi)存碎片正式buddy system的弱點之一，為了預(yù)防以及解決碎片問題，kernel采取了一些實用技術(shù)，這里將對這些技術(shù)進行總結(jié)歸納。
1?低內(nèi)存時整合碎片
從buddy申請內(nèi)存頁，如果找不到合適的頁，則會進行兩步調(diào)整內(nèi)存的工作，compact和reclaim。前者是為了整合碎片，以得到更大的連續(xù)內(nèi)存；后者是回收不一定必須占用內(nèi)存的緩沖內(nèi)存。這里重點了解comact，整個流程大致如下：
__alloc_pages_nodemask
??? -> __alloc_pages_slowpath
??????? -> __alloc_pages_direct_compact
??????????? -> try_to_compact_pages
??????????????? -> compact_zone_order
??????????????????? -> compact_zone
??????????????????????? -> isolate_migratepages
??????????????????????? -> migrate_pages
??????????????????????? -> release_freepages
并不是所有申請不到內(nèi)存的場景都會compact，首先要滿足order大于0，并且gfp_mask攜帶__GFP_FS和__GFP_IO；另外，需要zone的剩余內(nèi)存情況滿足一定條件，kernel稱之為“碎片指數(shù)”（fragmentation index），這個值在0~1000之間，默認(rèn)碎片指數(shù)大于500時才能進行compact，可以通過proc文件extfrag_threshold來調(diào)整這個默認(rèn)值。fragmentation index通過fragmentation_index函數(shù)來計算：

?

/*

* Index is between 0 and 1000

*

* 0 => allocation would fail due to lack of memory

* 1000 => allocation would fail due to fragmentation

*/

return 1000 - div_u64( (1000+(div_u64(info->free_pages * 1000ULL, requested))), info->free_blocks_total)

在整合內(nèi)存碎片的過程中，碎片頁只會在本zone的內(nèi)部移動，將位于zone低地址的頁盡量移到zone的末端。申請新的頁面位置通過compaction_alloc函數(shù)實現(xiàn)。
移動過程又分為同步和異步，內(nèi)存申請失敗后第一次compact將會使用異步，后續(xù)reclaim之后將會使用同步。同步過程只移動當(dāng)面未被使用的頁，異步過程將遍歷并等待所有MOVABLE的頁使用完成后進行移動。
2?按可移動性組織頁
按照可移動性將內(nèi)存頁分為以下三個類型：
UNMOVABLE：在內(nèi)存中位置固定，不能隨意移動。kernel分配的內(nèi)存基本屬于這個類型；
RECLAIMABLE：不能移動，但可以刪除回收。例如文件映射內(nèi)存；
MOVABLE：可以隨意移動，用戶空間的內(nèi)存基本屬于這個類型。
申請內(nèi)存時，根據(jù)可移動性，首先在指定類型的空閑頁中申請內(nèi)存，每個zone的空閑內(nèi)存組織方式如下：

struct zone {

......

struct free_area free_area[MAX_ORDER];

......

}

struct free_area {

struct list_head free_list[MIGRATE_TYPES];

unsigned long nr_free;

};

當(dāng)在指定類型的free_area申請不到內(nèi)存時，可以從備用類型挪用，挪用之后的內(nèi)存就會釋放到新指定的類型列表中，kernel把這個過程稱為“盜用”。
備用類型優(yōu)先級列表如下定義：

static int fallbacks[MIGRATE_TYPES][4] = {

[MIGRATE_UNMOVABLE] = { MIGRATE_RECLAIMABLE, MIGRATE_MOVABLE, MIGRATE_RESERVE },

[MIGRATE_RECLAIMABLE] = { MIGRATE_UNMOVABLE, MIGRATE_MOVABLE, MIGRATE_RESERVE },

#ifdef CONFIG_CMA

[MIGRATE_MOVABLE] = { MIGRATE_CMA, MIGRATE_RECLAIMABLE, MIGRATE_UNMOVABLE, MIGRATE_RESERVE },

[MIGRATE_CMA] = { MIGRATE_RESERVE }, /* Never used */

#else

[MIGRATE_MOVABLE] = { MIGRATE_RECLAIMABLE, MIGRATE_UNMOVABLE, MIGRATE_RESERVE },

#endif

[MIGRATE_RESERVE] = { MIGRATE_RESERVE }, /* Never used */

#ifdef CONFIG_MEMORY_ISOLATION

[MIGRATE_ISOLATE] = { MIGRATE_RESERVE }, /* Never used */

#endif

};

值得注意的是并不是所有場景都適合按可移動性組織頁，當(dāng)內(nèi)存大小不足以分配到各種類型時，就不適合啟用可移動性。有個全局變量來表示是否啟用，在內(nèi)存初始化時設(shè)置：

void __ref build_all_zonelists(pg_data_t *pgdat, struct zone *zone)

{

......

if (vm_total_pages < (pageblock_nr_pages * MIGRATE_TYPES))

page_group_by_mobility_disabled = 1;

else

page_group_by_mobility_disabled = 0;

......

}

如果page_group_by_mobility_disabled，則所有內(nèi)存都是不可移動的。
其中有個參數(shù)決定了每個內(nèi)存區(qū)域至少擁有的頁，pageblock_nr_pages，它的定義如下：

#define pageblock_order HUGETLB_PAGE_ORDER

#else /* CONFIG_HUGETLB_PAGE */

/* If huge pages are not used, group by MAX_ORDER_NR_PAGES */

#define pageblock_order (MAX_ORDER-1)

#endif /* CONFIG_HUGETLB_PAGE */

#define pageblock_nr_pages (1UL << pageblock_order)

在系統(tǒng)初始化期間，所有頁都被標(biāo)記為MOVABLE：

void __meminit memmap_init_zone(unsigned long size, int nid, unsigned long zone,

unsigned long start_pfn, enum memmap_context context)

{

......

if ((z->zone_start_pfn <= pfn)

&& (pfn < zone_end_pfn(z))

&& !(pfn & (pageblock_nr_pages - 1)))

set_pageblock_migratetype(page, MIGRATE_MOVABLE);

......

}

其它可移動性類型的頁都是后來產(chǎn)生的，也就是前面說的“盜取”。在這種情況發(fā)生時，通常會“盜取”fallback中更高優(yōu)先級、更大塊連續(xù)的頁，從而避免小碎片的產(chǎn)生。

/* Remove an element from the buddy allocator from the fallback list */

static inline struct page *

__rmqueue_fallback(struct zone *zone, int order, int start_migratetype)

{

......

/* Find the largest possible block of pages in the other list */

for (current_order = MAX_ORDER-1; current_order >= order;

--current_order) {

for (i = 0;; i++) {

migratetype = fallbacks[start_migratetype][i];

......

}

可以通過/proc/pageteypeinfo查看當(dāng)前系統(tǒng)各種類型的頁分布。
3?虛擬可移動內(nèi)存域
在依據(jù)可移動性組織頁的技術(shù)之前，還有一個方法已經(jīng)合入kernel，那就是虛擬內(nèi)存域：ZONE_MOVABLE?；舅枷牒芎唵危喊褍?nèi)存分為兩部分，可移動的和不可移動的。

enum zone_type {

#ifdef CONFIG_ZONE_DMA

ZONE_DMA,

#endif

#ifdef CONFIG_ZONE_DMA32

ZONE_DMA32,

#endif

ZONE_NORMAL,

#ifdef CONFIG_HIGHMEM

ZONE_HIGHMEM,

#endif

ZONE_MOVABLE,

__MAX_NR_ZONES

};

ZONE_MOVABLE的啟用需要指定kernel參數(shù)kernelcore或者movablecore，kernelcore用來指定不可移動的內(nèi)存數(shù)量，movablecore指定可移動的內(nèi)存大小，如果兩個都指定，取不可移動內(nèi)存數(shù)量較大的一個。如果都不指定，則不啟動。
與其它內(nèi)存域不同的是ZONE_MOVABLE不關(guān)聯(lián)任何物理內(nèi)存范圍，該域的內(nèi)存取自高端內(nèi)存域或者普通內(nèi)存域。
find_zone_movable_pfns_for_nodes用來計算每個node中ZONE_MOVABLE的內(nèi)存數(shù)量，采用的內(nèi)存區(qū)域通常是每個node的最高內(nèi)存域，在函數(shù)find_usable_zone_for_movable中體現(xiàn)。
在對每個node分配ZONE_MOVABLE內(nèi)存時，kernelcore會被平均分配到各個Node：
kernelcore_node = required_kernelcore / usable_nodes;
在kernel alloc page時，如果gfp_flag同時指定了__GFP_HIGHMEM和__GFP_MOVABLE，則會從ZONE_MOVABLE內(nèi)存域申請內(nèi)存。

?