2024-04-02  阅读(25)
原文作者:LoyenWang 原文地址: https://www.cnblogs.com/LoyenWang/p/11666939.html

背景

  • Read the fucking source code! --By 鲁迅
  • A picture is worth a thousand words. --By 高尔基

说明:

  1. Kernel版本:4.14
  2. ARM64处理器,Contex-A53,双核
  3. 使用工具:Source Insight 3.5, Visio

1. 概述

本文将分析Buddy System
Buddy System伙伴系统,是通过将物理内存划分为页面来进行管理的系统,支持连续的物理页面分配和释放。此外,使用与碎片相关的算法来确保最大的连续页面。

先通过一个例子大体介绍一下原理吧:
空闲的物理页框按大小分组成0~MAX_ORDER个链表,每个链表存放页框的大小为2的n次幂,其中n在0 ~ MAX_ORDER-1中取值。

假设请求分配2^8 = 256个页框块:

  1. 检查n = 8的链表,检查是否有空闲块,找到了则直接返回;
  2. 没有找到满足需求的,则查找n = 9的链表,找到512大小空闲块,拆分成两个256大小块,将其中一个256大小块返回,另一个256大小块添加到n = 8的链表中;
  3. n = 9的链表中没有找到合适的块,则查找n = 10的链表,找到1024大小空闲块,将其拆分成512 + 256 + 256大小的块,返回需要获取的256大小的块,将剩下的512大小块插入n = 9链表中,剩下的256大小块插入n = 8的链表中;

合并过程是上述流程的逆过程,试图将大小相等的Buddy块进行合并成单独的块,并且会迭代合并下去,尝试合并成更大的块。合并需要满足要求:

  1. 两个Buddy块大小一致;
  2. 它们的物理地址连续;
  3. 第一个Buddy块的起始地址为 (2 x N x 4K)的整数倍,其中4K为页面大小,NBuddy块的大小;

202404022325536501.png

struct page结构中,与Buddy System相关的字段有:

  • _mapcount: 用于标记page是否处在Buddy System中,设置成-1PAGE_BUDDY_MAPCOUNT_VALUE(-128)
  • private: 一个2^k次幂的空闲块的第一个页描述符中,private字段存放了块的order值,也就是k值;
  • index: 存放MIGRATE类型;
  • _refcount: 用户使用计数值,没有用户使用为0,有使用的话则增加;

合并时如下图所示:

202404022325539202.png

2. Buddy页面分配

Buddy页面分配的流程如下图所示:

202404022325541793.png

从上图中可以看出,在页面进行分配的时候,有以下四个步骤:

  1. 如果申请的是order = 0的页面,直接选择从pcp中进行分配,并直接退出;
  2. order > 0时,如果分配标志中设置了ALLOC_HARDER,则从free_list[MIGRATE_HIGHATOMIC]的链表中进行页面分配,分配成功则返回;
  3. 前两个条件都不满足,则在正常的free_list[MIGRATE_*]中进行分配,分配成功则直接则返回;
  4. 如果3中分配失败了,则查找后备类型fallbacks[MIGRATE_TYPES][4],并将查找到的页面移动到所需的MIGRATE类型中,移动成功后,重新尝试分配;

如下图:

202404022325544084.png

上述分配的过程,前3个步骤都会调用到__rmqueue_smallest,第4步调用__rmqueue_fallback,将从这两个函数来分析。

2.1 __rmqueue_smallest

__rmqueue_smallest的源代码比较简单,贴上来看看吧:

    static inline
    struct page *__rmqueue_smallest(struct zone *zone, unsigned int order,
    						int migratetype)
    {
    	unsigned int current_order;
    	struct free_area *area;
    	struct page *page;
    
    	/* Find a page of the appropriate size in the preferred list */
    	for (current_order = order; current_order < MAX_ORDER; ++current_order) {
    		area = &(zone->free_area[current_order]);
    		page = list_first_entry_or_null(&area->free_list[migratetype],
    							struct page, lru);
    		if (!page)
    			continue;
    		list_del(&page->lru);
    		rmv_page_order(page);
    		area->nr_free--;
    		expand(zone, page, order, current_order, area, migratetype);
    		set_pcppage_migratetype(page, migratetype);
    		return page;
    	}
    
    	return NULL;
    }

从代码中可以看出:

  1. 从申请的order大小开始查找目标MIGRATE类型链表中页表,如果没有找到,则从更大的order中查找,直到MAX_ORDER
  2. 查找到页表之后,从对应的链表中删除掉,并调用expand函数进行处理;

expand函数的处理逻辑就跟本文概述中讲的例子一样,当在大的order链表中申请到了内存后,剩余部分会插入到其他的order链表中,来一张图就清晰了:

202404022325546455.png

2.2 __rmqueue_fallback

当上述过程没有分配到内存时,便会开始从后备迁移类型中进行分配。
其中,定义了一个全局的二维fallbacks的数组,并根据该数组进行查找,代码如下:

    /*
     * This array describes the order lists are fallen back to when
     * the free lists for the desirable migrate type are depleted
     */
    static int fallbacks[MIGRATE_TYPES][4] = {
    	[MIGRATE_UNMOVABLE]   = { MIGRATE_RECLAIMABLE, MIGRATE_MOVABLE,   MIGRATE_TYPES },
    	[MIGRATE_RECLAIMABLE] = { MIGRATE_UNMOVABLE,   MIGRATE_MOVABLE,   MIGRATE_TYPES },
    	[MIGRATE_MOVABLE]     = { MIGRATE_RECLAIMABLE, MIGRATE_UNMOVABLE, MIGRATE_TYPES },
    #ifdef CONFIG_CMA
    	[MIGRATE_CMA]         = { MIGRATE_TYPES }, /* Never used */
    #endif
    #ifdef CONFIG_MEMORY_ISOLATION
    	[MIGRATE_ISOLATE]     = { MIGRATE_TYPES }, /* Never used */
    #endif
    };

202404022325548756.png

__rmqueue_fallback完成的主要工作就是从后备fallbacks中找到一个迁移类型页面块,将其移动到目标类型中,并重新进行分配。
下图将示例整个流程:

202404022325551167.png

3. Buddy页面释放

页面释放是申请的逆过程,相对来说要简单不少,先看一下函数调用图吧:

202404022325553598.png

order = 0时,会使用Per-CPU Page Frame来释放,其中:

  • MIGRATE_UNMOVABLE, MIGRATE_RECLAIMABLE, MIGRATE_MOVABLE三个按原来的类型释放;

  • MIGRATE_CMA, MIGRATE_HIGHATOMIC类型释放到MIGRATE_UNMOVABLE类型中;

  • MIGRATE_ISOLATE类型释放到Buddy系统中;
    此外,在PCP释放的过程中,发生溢出时,会调用free_pcppages_bulk()来返回给Buddy系统。来一张图就清晰了:

    202404022325556069.png

在整个释放过程中,核心函数为__free_one_page,该函数的核心逻辑部分如下所示:

    continue_merging:
    	while (order < max_order - 1) {
    		buddy_pfn = __find_buddy_pfn(pfn, order);
    		buddy = page + (buddy_pfn - pfn);
    
    		if (!pfn_valid_within(buddy_pfn))
    			goto done_merging;
    		if (!page_is_buddy(page, buddy, order))
    			goto done_merging;
    		/*
    		 * Our buddy is free or it is CONFIG_DEBUG_PAGEALLOC guard page,
    		 * merge with it and move up one order.
    		 */
    		if (page_is_guard(buddy)) {
    			clear_page_guard(zone, buddy, order, migratetype);
    		} else {
    			list_del(&buddy->lru);
    			zone->free_area[order].nr_free--;
    			rmv_page_order(buddy);
    		}
    		combined_pfn = buddy_pfn & pfn;
    		page = page + (combined_pfn - pfn);
    		pfn = combined_pfn;
    		order++;
    	}
  • __find_buddy_pfn: 根据释放页面的pfn计算对应的buddy_pfn,比如pfn = 0x1000, order = 3,则buddy_pfn = 0x1008pfn = 0x1008, order = 3,则buddy_pfn = 0x1000
  • page_is_buddy:将pagebuddy进行配对处理,判断是否能配对;
  • 进行combine之后,再将pfn指向合并后的开始位置,继续往上一阶进行合并处理;

按照惯例,再来张图片吧:

2024040223255586510.png

不得不说,还有很多细节没有去扣,一旦沉沦,将难以自拔,待续吧。

2024040223255607211.png

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