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memory compaction原理、實(shí)現(xiàn)與分析

時(shí)間：2021-08-19 15:10:54
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[導(dǎo)讀]作者簡(jiǎn)介趙金生，linux內(nèi)核愛(ài)好者,就職于杭州某大型安防公司，擔(dān)任LinuxBSP軟件工程師。對(duì)進(jìn)程調(diào)度，內(nèi)存管理有所了解。希望能通過(guò)對(duì)linux的學(xué)習(xí)，提升產(chǎn)品軟件性能及穩(wěn)定性。該文章為私人學(xué)習(xí)總結(jié)，不存在公司網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題。??????一memorycompaction簡(jiǎn)介隨...

作者簡(jiǎn)介

趙金生，linux內(nèi)核愛(ài)好者,就職于杭州某大型安防公司，擔(dān)任Linux BSP軟件工程師。對(duì)進(jìn)程調(diào)度，內(nèi)存管理有所了解。希望能通過(guò)對(duì)linux的學(xué)習(xí)，提升產(chǎn)品軟件性能及穩(wěn)定性。該文章為私人學(xué)習(xí)總結(jié)，不存在公司網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題。? ? ? ?

??一

memory compaction簡(jiǎn)介


隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，經(jīng)過(guò)不同用戶的分配請(qǐng)求后，頁(yè)框會(huì)變得十分分散，導(dǎo)致此段頁(yè)框被這些正在使用的零散頁(yè)框分為一小段一小段非連續(xù)頁(yè)框，這使得在需要分配內(nèi)存時(shí)很難找到物理上連續(xù)的頁(yè)框。


現(xiàn)代處理器不再限于使用傳統(tǒng)的4K大小的頁(yè)框；它們可以在進(jìn)程的部分地址空間中支持大得多的頁(yè)(huge pages)。使用巨頁(yè)會(huì)帶來(lái)真正的性能優(yōu)勢(shì)，主要原因是減小了對(duì)處理器的轉(zhuǎn)換后備緩沖區(qū)（translation lookaside buffer）的壓力。但是使用巨頁(yè)要求系統(tǒng)能夠找到物理上連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域，這些區(qū)域不僅要足夠大，而且還必須確保按適當(dāng)方式滿足字節(jié)對(duì)齊的要求。


在一個(gè)已經(jīng)運(yùn)行了一段時(shí)間的系統(tǒng)上會(huì)產(chǎn)生大量的不連續(xù)的page， 要想找到符合這些高階(high-order)條件的內(nèi)存空間非常具有挑戰(zhàn)性，memory compaction的作用就是解決high-order內(nèi)存分配失敗問(wèn)題，與buddy system機(jī)制做一個(gè)互補(bǔ)。


??二

memory compaction原理


內(nèi)存碎片整理以pageblock為單位。
在內(nèi)存碎片整理開始前，會(huì)在zone的頭和尾各設(shè)置一個(gè)指針，頭指針從頭向尾掃描可移動(dòng)的頁(yè)，而尾指針從尾向頭掃描空閑的頁(yè)，當(dāng)他們相遇時(shí)終止整理。


簡(jiǎn)單示意圖：需要明確的是：實(shí)際情況并不是與圖示的情況完全一致。頭指針每次掃描一個(gè)符合要求的pageblock里的所有頁(yè)框，當(dāng)pageblock不為MIGRATE_MOVABLE、MIGRATE_CMA、MIGRATE_RECLAIMABLE時(shí)會(huì)跳過(guò)這些pageblock，當(dāng)掃描完這個(gè)pageblock后有可移動(dòng)的頁(yè)框時(shí)，會(huì)變?yōu)槲仓羔樢詐ageblock為單位向前掃描可移動(dòng)頁(yè)框數(shù)量的空閑頁(yè)框，但是在pageblock中也是從開始頁(yè)框向結(jié)束頁(yè)框進(jìn)行掃描，最后會(huì)將前面的頁(yè)框內(nèi)容復(fù)制到這些空閑頁(yè)框中。


這里的移動(dòng)是將頁(yè)框中的數(shù)據(jù)copy拷貝到可移動(dòng)的空閑頁(yè)框當(dāng)中，此時(shí)原有的movable page變成free page。所以并不是頁(yè)框自身的移動(dòng)而是數(shù)據(jù)的移動(dòng)。


通過(guò)下圖的操作就可以分配出一個(gè)order = 2或者是order = ?3的連續(xù)的可用空間，可用于滿足更high-order的內(nèi)存分配。當(dāng)然，這里展示的流程和真實(shí)系統(tǒng)比起來(lái)已經(jīng)大大簡(jiǎn)化了。實(shí)際的內(nèi)存域會(huì)大得多，這意味著掃描的工作量也會(huì)大很多，但由此獲得的空閑區(qū)也可能更大。

??

實(shí)際的內(nèi)存碎片，還有一個(gè)問(wèn)題就是在整理算法中會(huì)將掃描中識(shí)別為不滿足整理要求的內(nèi)存塊標(biāo)識(shí)為?“可忽略”(“skip”，即不執(zhí)行規(guī)整)。作為一種優(yōu)化，目的是防止運(yùn)行沒(méi)必要的規(guī)整操作。


比如系統(tǒng)正在對(duì)zone進(jìn)行內(nèi)存碎片整理，首先，會(huì)從可移動(dòng)頁(yè)框開始位置向后掃描一個(gè)pageblock，得到一些可移動(dòng)頁(yè)框，然后空閑頁(yè)框從開始位置向前掃描一個(gè)pageblock，得到一些空閑頁(yè)框，然后將可移動(dòng)頁(yè)框移動(dòng)到空閑頁(yè)框中，之后再繼續(xù)循環(huán)掃描。對(duì)一個(gè)pageblock進(jìn)行掃描后，如果無(wú)法從此pageblock隔離出一個(gè)要求的頁(yè)框，這時(shí)候就會(huì)將此pageblock標(biāo)記為跳過(guò)(skip)。


假設(shè)內(nèi)存碎片整理可移動(dòng)頁(yè)掃描是從zone的第一個(gè)頁(yè)框開始，掃描完一個(gè)pageblock后，沒(méi)有隔離出可移動(dòng)頁(yè)框，則標(biāo)記此pageblock的跳過(guò)標(biāo)記PB_migrate_skip，然后將zone->compact_cached_migrate_pfn設(shè)置為此pageblock的結(jié)束頁(yè)框。
這樣，在下次對(duì)此zone進(jìn)行內(nèi)存碎片整理時(shí)，就會(huì)直接從此pageblock的下一個(gè)pageblock開始，把此pageblock跳過(guò)了。同理，對(duì)于空閑頁(yè)掃描也是一樣。這樣就必須更新zone pageblock的起始地址與結(jié)束地址：

以上就是內(nèi)存碎片整理的基本原理了。


? 三

memory compaction如何實(shí)現(xiàn)

3.1、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)


在內(nèi)存碎片整理中，可以移動(dòng)的頁(yè)框有MIGRATE_RECLAIMABLE、MIGRATE_MOVABLE與MIGRATE_CMA這三種類型的頁(yè)框。


而因?yàn)閮?nèi)存碎片整理分為同步和異步。在異步過(guò)程中，只會(huì)移動(dòng)MIGRATE_MOVABLE和MIGRATE_CMA這兩種類型的頁(yè)框。因?yàn)檫@兩種類型的頁(yè)框處理，是不會(huì)涉及到IO操作的。而在同步過(guò)程中，這三種類型的頁(yè)框都會(huì)進(jìn)行移動(dòng)，因?yàn)镸IGRATE_RECLAIMABLE基本上都是文件頁(yè)，在移動(dòng)過(guò)程中，有可能要將臟頁(yè)回寫，會(huì)涉及到IO操作，也就是在同步過(guò)程中，是會(huì)涉及到IO操作的。

1、migrate_mode遷移模式：

enum migrate_mode { MIGRATE_ASYNC, MIGRATE_SYNC_LIGHT, MIGRATE_SYNC,};
2、compact_priority
enum compact_priority { COMPACT_PRIO_SYNC_FULL, MIN_COMPACT_PRIORITY = COMPACT_PRIO_SYNC_FULL, COMPACT_PRIO_SYNC_LIGHT, MIN_COMPACT_COSTLY_PRIORITY = COMPACT_PRIO_SYNC_LIGHT, DEF_COMPACT_PRIORITY = COMPACT_PRIO_SYNC_LIGHT, COMPACT_PRIO_ASYNC, INIT_COMPACT_PRIORITY = COMPACT_PRIO_ASYNC};

3、compact_result用于壓縮處理函數(shù)的返回值
enum compact_result { /* For more detailed tracepoint output - internal to compaction */ COMPACT_NOT_SUITABLE_ZONE,//trace用于調(diào)試輸出或內(nèi)部使用 /* * compaction didn't start as it was not possible or direct reclaim * was more suitable */ COMPACT_SKIPPED,//跳過(guò)壓縮，因?yàn)闊o(wú)法執(zhí)行壓縮或直接回收更合適 /* compaction didn't start as it was deferred due to past failures */ COMPACT_DEFERRED,
 /* compaction not active last round */ COMPACT_INACTIVE = COMPACT_DEFERRED,
 /* For more detailed tracepoint output - internal to compaction */ COMPACT_NO_SUITABLE_PAGE, /* compaction should continue to another pageblock */ COMPACT_CONTINUE,
 /* * The full zone was compacted scanned but wasn't successfull to compact * suitable pages. */ COMPACT_COMPLETE,//已完成所有區(qū)域的壓縮，但是尚未確保可以通過(guò)壓縮分配的頁(yè)面 /* * direct compaction has scanned part of the zone but wasn't successfull * to compact suitable pages. */ COMPACT_PARTIAL_SKIPPED,
 /* compaction terminated prematurely due to lock contentions */ COMPACT_CONTENDED,
 /* * direct compaction terminated after concluding that the allocation * should now succeed */ COMPACT_SUCCESS,//在確?？煞峙漤?yè)面安全后，直接壓縮結(jié)束};

4、compact_control需要進(jìn)行內(nèi)存碎片整理時(shí)，總是需要初始化該結(jié)構(gòu)體

struct compact_control { /* 掃描到的空閑頁(yè)的頁(yè)的鏈表 */ struct list_head freepages; /* List of free pages to migrate to */ /* 掃描到的可移動(dòng)的頁(yè)的鏈表 */ struct list_head migratepages; /* List of pages being migrated */ /* 空閑頁(yè)鏈表中的頁(yè)數(shù)量 */ unsigned long nr_freepages; /* Number of isolated free pages */ /* 可移動(dòng)頁(yè)鏈表中的頁(yè)數(shù)量 */ unsigned long nr_migratepages; /* Number of pages to migrate */ /* 空閑頁(yè)框掃描所在頁(yè)框號(hào) */ unsigned long free_pfn; /* isolate_freepages search base */ /* 可移動(dòng)頁(yè)框掃描所在頁(yè)框號(hào) */ unsigned long migrate_pfn; /* isolate_migratepages search base */ /* 內(nèi)存碎片整理使用的模式: 同步，輕同步，異步 */ enum migrate_mode mode; /* Async or sync migration mode */ /* 是否忽略pageblock的PB_migrate_skip標(biāo)志對(duì)需要跳過(guò)的pageblock進(jìn)行掃描 ，并且也不會(huì)對(duì)pageblock設(shè)置跳過(guò) * 只有兩種情況會(huì)使用 * 1.調(diào)用alloc_contig_range()嘗試分配一段指定了開始頁(yè)框號(hào)和結(jié)束頁(yè)框號(hào)的連續(xù)頁(yè)框時(shí)； * 2.通過(guò)寫入1到sysfs中的/vm/compact_memory文件手動(dòng)實(shí)現(xiàn)同步內(nèi)存碎片整理。 */ bool ignore_skip_hint; /* Scan blocks even if marked skip */ /* 本次內(nèi)存碎片整理是否隔離到了空閑頁(yè)框，會(huì)影響zone的空閑頁(yè)掃描起始位置 */ bool finished_update_free; /* True when the zone cached pfns are * no longer being updated */ /* 本次內(nèi)存碎片整理是否隔離到了可移動(dòng)頁(yè)框，會(huì)影響zone的可移動(dòng)頁(yè)掃描起始位置 */ bool finished_update_migrate; /* 申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)需要的頁(yè)框的order值 */ int order; /* order a direct compactor needs */ const gfp_t gfp_mask; /* gfp mask of a direct compactor */ /* 掃描的管理區(qū) */ struct zone *zone; /* 保存結(jié)果，比如異步模式下是否因?yàn)樾枰枞Y(jié)束了本次內(nèi)存碎片整理 */ int contended; /* Signal need_sched() or lock * contention detected during * compaction */};

5、Node?zone?掃描推遲
struct zone{ ..... unsigned int compact_considered; unsigned int compact_defer_shift; int compact_order_failed; ......}當(dāng)一個(gè)zone要進(jìn)行內(nèi)存碎片整理時(shí)，首先會(huì)判斷本次整理需不需要推遲，如果本次內(nèi)存碎片整理使用的order值小于zone內(nèi)存碎片整理失敗最大order值compact_order_failed時(shí)，不用進(jìn)行推遲，可以直接進(jìn)行內(nèi)存碎片整理；


當(dāng)order值大于zone內(nèi)存碎片整理失敗最大order值compact_order_failed，會(huì)增加內(nèi)存碎片整理推遲計(jì)數(shù)器compact_considered，如果內(nèi)存碎片整理推遲計(jì)數(shù)器compact_considered未達(dá)到內(nèi)存碎片整理推遲閥值defer_limit，則會(huì)跳過(guò)本次內(nèi)存碎片整理，如果達(dá)到了，那就需要進(jìn)行內(nèi)存碎片整理。


總結(jié)：也就是當(dāng)order小于zone內(nèi)存碎片整理失敗最大order值時(shí)，不用進(jìn)行推遲，而order大于zone內(nèi)存碎片整理失敗最大order值時(shí)，才考慮是否進(jìn)行推遲,此時(shí)推遲就是continue掃描node當(dāng)中的下一個(gè)zone區(qū)域，這里并不是想下文一下設(shè)置zone SKIP標(biāo)志。


6、Pageblock?skip

struct zone{ ...... unsigned long compact_cached_free_pfn; /* pfn where async and sync compaction migration scanner should start */ unsigned long compact_cached_migrate_pfn[2];
 ......}

3.2、源碼分析

內(nèi)存碎片整理移動(dòng)發(fā)生條件：

  • 內(nèi)存分配不足時(shí)觸發(fā)direct compact整理內(nèi)存


  • Kswapd內(nèi)存回收后喚醒kcompactd內(nèi)核線程執(zhí)行compact操作，獲取連續(xù)內(nèi)存


  • 手動(dòng)設(shè)置echo 1 > /proc/sys/vm/compact_memory




分析的重點(diǎn)就放在內(nèi)存分配不足的情況，入口函數(shù)從try_to_compact_pages開始

對(duì)源碼詳細(xì)分析參見(jiàn)代碼：https://github.com/linuxzjs/linux-4.14


重點(diǎn)分析5個(gè)關(guān)鍵函數(shù)：

1、compaction_suitable

/* 判斷該zone是否可以做內(nèi)存碎片壓縮整理 */enum compact_result compaction_suitable(struct zone *zone, int order, unsigned int alloc_flags, int classzone_idx){ enum compact_result ret; int fragindex; /* * 根據(jù)watermask判斷zone中離散的page是否滿足2^order的內(nèi)存分配請(qǐng)求，如果滿足則繼續(xù)對(duì)zone進(jìn)行內(nèi)存的compact整理zone的內(nèi)存碎片 * 說(shuō)明該zone時(shí)可以做內(nèi)存碎片的壓縮整理的。 */ ret = __compaction_suitable(zone, order, alloc_flags, classzone_idx,zone_page_state(zone, NR_FREE_PAGES));
 /* 如果return返回值為COMPACT_CONTINUE，且order > PAGE_ALLOC_COSTLY_ORDER(3)則進(jìn)入一下判斷當(dāng)中 */ if (ret == COMPACT_CONTINUE
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