Linux中的冷热页机制概述

什么是冷热页?

在Linux Kernel的物理内存管理的Buddy System中,引入了冷热页的概念。冷页表示该空闲页已经不再高速缓存中了(一般是指L2 Cache),热页表示该空闲页仍然在高速缓存中。冷热页是针对于每CPU的,每个zone中,都会针对于所有的CPU初始化一个冷热页的per-cpu-pageset.

为什么要有冷热页?

作用有3点:

  • Buddy Allocator在分配order为0的空闲页的时候,如果分配一个热页,那么由于该页已经存在于L2 Cache中了。CPU写访问的时候,不需要先把内存中的内容读到Cache中,然后再写。如果分配一个冷页,说明该页不在L2 Cache中。一般情况下,尽可能用热页,是容易理解的。什么时候用冷页呢?While allocating a physical page frame, there is a bit specifying whether we would like a hot or a cold page (that is, a page likely to be in the CPU cache, or a page not likely to be there). If the page will be used by the CPU, a hot page will be faster. If the page will be used for device DMA the CPU cache would be invalidated anyway, and a cold page does not waste precious cache contents.
    简单翻译一下:当内核分配一个物理页框时,有一些规范来约束我们是分配热页还是冷页。当页框是CPU使用的,则分配热页。当页框是DMA设备使用的,则分配冷页。因为DMA设备不会用到CPU高速缓存,所以没必要使用热页。
  • Buddy System在给某个进程分配某个zone中空闲页的时候,首先需要用自旋锁锁住该zone,然后分配页。这样,如果多个CPU上的进程同时进行分配页,便会竞争。引入了per-cpu-set后,当多个CPU上的进程同时分配页的时候,竞争便不会发生,提高了效率。另外当释放单个页面时,空闲页面首先放回到per-cpu-pageset中,以减少zone中自旋锁的使用。当页面缓存中的页面数量超过阀值时,再将页面放回到伙伴系统中。
  • 使用每CPU冷热页还有一个好处是,能保证某个页一直黏在1个CPU上,这有助于提高Cache的命中率。

冷热页的数据结构

struct per_cpu_pages {
        int count;              // number of pages in the list
        int high;               // high watermark, emptying needed
        int batch;              // chunk size for buddy add/remove
         // Lists of pages, one per migrate type stored on the pcp-lists
         每个CPU在每个zone上都有MIGRATE_PCPTYPES个冷热页链表(根据迁移类型划分)
         struct list_head lists[MIGRATE_PCPTYPES];
 };

在Linux中,对于UMA的架构,冷热页是在一条链表上进行管理。热页在前,冷页在后。CPU每释放一个order为0的页,如果per-cpu-pageset中的页数少于其指定的阈值,便会将释放的页插入到冷热页链表的开始处。这样,之前插入的热页便会随着其后热页源源不断的插入向后移动,其页由热变冷的几率便大大增加。

怎样分配冷热页

在分配order为0页的时候(冷热页机制只处理单页分配的情况),先找到合适的zone,然后根据需要的migratetype类型定位冷热页链表(每个zone,对于每个cpu,有3条冷热页链表,对应于:MIGRATE_UNMOVABLE、MIGRATE_RECLAIMABLE、MIGRATE_MOVABLE)。若需要热页,则从链表头取下一页(此页最“热”);若需要冷页,则从链表尾取下一页(此页最“冷”)。

分配函数(关键部分已添加注释):

/*
 * Really, prep_compound_page() should be called from __rmqueue_bulk().  But
 * we cheat by calling it from here, in the order > 0 path.  Saves a branch
 * or two.
 */
static inline
struct page *buffered_rmqueue(struct zone *preferred_zone,
            struct zone *zone, int order, gfp_t gfp_flags,
            int migratetype)
{
    unsigned long flags;
    struct page *page;
    //分配标志是__GFP_COLD才分配冷页
    int cold = !!(gfp_flags & __GFP_COLD);
again:
    if (likely(order == 0)) {
        struct per_cpu_pages *pcp;
        struct list_head *list;
        local_irq_save(flags);
        pcp = &this_cpu_ptr(zone->pageset)->pcp;
        list = &pcp->lists[migratetype];
        if (list_empty(list)) {
          //如果缺少页,则从Buddy System中分配。
            pcp->count += rmqueue_bulk(zone, 0,
                    pcp->batch, list,
                    migratetype, cold);
            if (unlikely(list_empty(list)))
                goto failed;
        }
        if (cold)
        //分配冷页时,从链表尾部分配,list为链表头,list->prev表示链表尾
            page = list_entry(list->prev, struct page, lru);
        else
        //分配热页时,从链表头分配
            page = list_entry(list->next, struct page, lru);
       //分配完一个页框后从冷热页链表中删去该页
        list_del(&page->lru);
        pcp->count--;
    } else {//如果order!=0(页框数>1),则不从冷热页链表中分配
        if (unlikely(gfp_flags & __GFP_NOFAIL)) {
            /*
             * __GFP_NOFAIL is not to be used in new code.
             *
             * All __GFP_NOFAIL callers should be fixed so that they
             * properly detect and handle allocation failures.
             *
             * We most definitely don't want callers attempting to
             * allocate greater than order-1 page units with
             * __GFP_NOFAIL.
             */
            WARN_ON_ONCE(order > 1);
        }
        spin_lock_irqsave(&zone->lock, flags);
        page = __rmqueue(zone, order, migratetype);
        spin_unlock(&zone->lock);
        if (!page)
            goto failed;
        __mod_zone_page_state(zone, NR_FREE_PAGES, -(1 << order));
    }
    __count_zone_vm_events(PGALLOC, zone, 1 << order);
    zone_statistics(preferred_zone, zone, gfp_flags);
    local_irq_restore(flags);
    VM_BUG_ON(bad_range(zone, page));
    if (prep_new_page(page, order, gfp_flags))
        goto again;
    return page;
failed:
    local_irq_restore(flags);
    return NULL;
}

参考:

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