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内存换出和高速缓存释放

作者：互联网

与linux0.11将普通内存和缓存分成不同的物理内存来处理不同，linux2.4.0将这两者抽象成统一的内存管理接口。而在阅读linux2.4.0源码的过程中，发现内存的换出和缓存的释放在结构上似乎具有很强的相似性，具体体现在以下几点：

  1. 内存换出时，要考虑到内存是不是最近有被使用（LRU    Last Recent Used）。而高速缓存也不会在进程释放完就马上释放，会停留在内存一段时间（因为从硬盘读数据到内存会影响到OS的效率）,也需要通过LRU去将高速缓存释放
  2. 内存换出是将暂时不用的内存写入到交换盘，待以后需要用到时通过do_page_fault换入到内存中；而高速缓存也需要将进程写入到内存的数据存储到硬盘中

1.Page 的LRU管理

关于page的LRU管理，有三个链表：active_list 、inactive_dirty_list、inactive_clean_list（与前两者全局的链表不同，这个在zone的管理结构中，因为这个已经向硬盘写入，但是没有回收而已）。

        Page一般在使用的时候是存在于active_list；如果普通内存或者高速缓存因为长时间没使用（识别长时间没使用的方法--page老化），会将page从active_list移至inactive_dirty_list；在内存缺少的时候，当前进程或者一些周期性线程（例如kswapd）将page洗净（page_launder），将page从inactive_dirty_list移至inactive_clean_list；最后kreclaimd线程会将page从inactive_clean_list中移除（之前能从hash表中查到，之后就再也查不到page的数据了），释放至buddy系统中，供其他的进程内存分配使用。

2.Page的老化

        Page的老化是LRU算法的基础，在linux2.4.0中，函数refill_inactive会查看page是否有受到访问，如果受到了访问，age_page_up_nolock；如果没有受到，就age_page_down_ageonly。直到page.age为0时，会deactivate_page_nolock，将page从active_list移至inactive_dirty_list。

refill_inactive-->refill_inactive_scan
refill_inactive_scan
{
....
//高速缓存的递增在这里做，普通内存的递增在swap_out（2.4.16将两者都抽象到Referenced）
//但是递减，普通内存和高速缓存都在这做
    if (PageTestandClearReferenced(page)) {
	    age_page_up_nolock(page);
	    page_active = 1;
    } else {
	    age_page_down_ageonly(page);
....
}

2.1普通内存的老化

        查看普通内存是否受到访问，需要借助硬件机制。在MMU中，将page映射到虚拟内存，每次通过虚拟地址访问，都会通过pgd-->pmd-->pte去访问page。在MMU访问这些pgd/pmd/pte时，都会将_PAGE_ACCESSED置上，再通过ptep_test_and_clear_young来检查page是否受到访问。

        swap_out会通过链表init_mm.mmlist.next来遍历所有进程的mm_struct结构体中的所有vma，从而确保遍历进程申请的所有虚拟地址，来检查page是否受到了访问，如下图try_to_swap_out。

（注：这样遍历似乎在效率上存在很大的问题，例如vma申请了，但是没有映射内存；还比如说page被映射到了MMU中，但是因为效率的原因不允许被换出。出现了这些情况，linux2.4.0似乎还是一如既往的遍历了所有的vma。所以后期似乎对这一块有所优化，将page映射的pte通过红黑树放在page的管理结构中，这样就可以通过page去查看pte是否被访问，或者将pte对应的page移至其他内存上，从而减少内存碎片，具体参考 深入剖析Linux内核反向映射机制_Smile to the World-CSDN博客）

refill_inactive-->swap_out-->swap_out_mm-->swap_out_vma-->swap_out_pgd-->swap_out_pmd-->try_to_swap_out
try_to_swap_out
{
    ...	
    onlist = PageActive(page);
    /* Don't look at this pte if it's been accessed recently. */
//普通内存受到访问age递增
	if (ptep_test_and_clear_young(page_table)) {
		age_page_up(page);
		goto out_failed;
	}
//如果之前不再active_list中，refill_inactive_scan就不会将age递减。所以需要在这里递减
//据《linux内核源代码情景分析》第125页说：在do_swap_page的时候，page不会立即添加到active_list，而是在page_launder时在做，从看代码可知：如果是从hash中获取page，则会在active_list中，但是如果要从盘上读取，需要经过add_to_swap_cache，这里有可能将其添加到inactive_dirty_list。
	if (!onlist)
		/* The page is still mapped, so it can't be freeable... */
		age_page_down_ageonly(page);
    ...

}

 2.2高速缓存的老化

        高速缓存的老化，从目前看的代码主要有三种情形：

        1.通过sys_write/sys_read 初次读写buffer时

do_generic_file_read-->__add_to_page_cache-->lru_cache_add
generic_file_write-->__grab_cache_page-->add_to_page_cache_unique-->__add_to_page_cache-->lru_cache_add

lru_cache_add
{
...
    add_page_to_active_list(page);
//这里作者说age为0的情况很少产生，估计是因为内存是脏的
	/* This should be relatively rare */
	if (!page->age)
		deactivate_page_nolock(page);
...
}

        2.通过sys_write/sys_read 再次读写buffer时

do_generic_file_read-->__find_page_nolock-->age_page_up
generic_file_write-->__grab_cache_page-->__find_lock_page-->__find_page_nolock-->age_page_up

age_page_up
{
	if (!page->age)
		activate_page(page);

	/* The actual page aging bit */
	page->age += PAGE_AGE_ADV;
	if (page->age > PAGE_AGE_MAX)
		page->age = PAGE_AGE_MAX;
}

        3.通过block号读写高速缓存时：

getblk-->touch_buffer

//设置标志位，然后在refill_inactive_scan中递增age
#define touch_buffer(bh)	SetPageReferenced(bh->b_page)

前两种方式主要是VFS在用，第三种方式主要是具体的文件系统(例如 ext2)用。

3.Active_list-->inactive_dirty_list

        当age在refill_inactive_scan中减到0之后，page就彻底老化，需要将其和硬盘关联。所以linux对下面变量做了抽象：

        page.index：page在盘（或者inode）内的页面偏移

        address_space：page到盘（或者inode）的映射，在这个结构体中记录了页面是否clean/dirty/locked，并且有将页面写入/读出的方法。另外；对于普通内存来说是swapper_space，对于ext2高速缓存是inode.i_mapping(实体是inode.i_data,操作方法是ext2_aops)。

3.1普通内存

        普通内存在refill_inactive_scan（或者try_to_swap_out）中将page.age递减置0，会在try_to_swap_out将pte和page的映射断开，之后如果进程需要通过MMU访问内存，需要通过do_page_fault，然后在hash表中查找重新建立映射了。

refill_inactive-->swap_out-->swap_out_mm-->swap_out_vma-->swap_out_pgd-->swap_out_pmd-->try_to_swap_out
try_to_swap_out
{
...
//这里pte被写0，所有后面!pte_dirty(pte)跳到drop_pte时是0
    pte = ptep_get_and_clear(page_table);
	flush_tlb_page(vma, address);

//初次进来，这个标志没置
	if (PageSwapCache(page)) {
		entry.val = page->index;
		if (pte_dirty(pte))
			set_page_dirty(page);
set_swap_pte:
		swap_duplicate(entry);
		set_pte(page_table, swp_entry_to_pte(entry));
drop_pte:
		UnlockPage(page);
		mm->rss--;
        //将page放入到inactive_ditry_list
		deactivate_page(page);
		page_cache_release(page);
out_failed:
		return 0;
	}

    ...
//虚拟内存和物理内存映射一般是在do_page_fault中建立，出现写时复制或者swap时，如果vma有write_access，会pte_mkdirty。
//有两种情况没dirty：1.这个pte没被写过，被映射到零页，直接释放pte，在do_page_fault时在重新申请0页
            2.如果这个页面是通过mmap，可以通过do_page_fault从硬盘中读取（另外pipe不是这种情况，因为pipe是通过file--inode的机制去访问page而不是MMU）
    if (!pte_dirty(pte))
		goto drop_pte;

	/*
	 * Ok, it's really dirty. That means that
	 * we should either create a new swap cache
	 * entry for it, or we should write it back
	 * to its own backing store.
	 */
//通过mmap建立映射，set_page_dirty将page加入到address_space的脏队列中，之后通过同步写入因硬盘
	if (page->mapping) {
		set_page_dirty(page);
		goto drop_pte;
	}

	/*
	 * This is a dirty, swappable page.  First of all,
	 * get a suitable swap entry for it, and make sure
	 * we have the swap cache set up to associate the
	 * page with that swap entry.
	 */
//这里是MMU首次老化的内存
	entry = get_swap_page();
	if (!entry.val)
		goto out_unlock_restore; /* No swap space left */

	/* Add it to the swap cache and mark it dirty */
//将page和swap_space映射，将其加入其脏队列中，并添加置address_space和page.index组成的hash表中。
//然后将pte设置成交换盘的索引，以便do_page_fault时能从hash表或者硬盘中读入
	add_to_swap_cache(page, entry);
	set_page_dirty(page);
	goto set_swap_pte;
    
...
}

 try_to_swap_out将如下的结构写入到pte中，因为present位是0，所以之后再访问该page的时候，会产生页面中断，执行do_page_fault，然后去hash表或者从交换盘中读取page到内存中。

（注：swap具体函数清参考get_swap_page和swap_free。这里记录一些变量含义：

type表示交换盘的编号；

offset表示page在交换盘中的偏移；

swap_info[type].swap_map[offset]表示盘上页面的计数；

swap_list.head指向的是按照prior排列的swap_file链表，

swap_info[type].next指向这个链表的下一个，

swap_list.next指向下一个分配时应该选择的swap_file。）

3.2高速缓存

         高速缓存在refill_inactive_scan中将page.age递减置0的时候，会立即将其放入inactive_dirty_list

refill_inactive-->refill_inactive_scan
refill_inactive_scan
{
    if (PageTestandClearReferenced(page)) {
	    age_page_up_nolock(page);
	    page_active = 1;
    } else {
	    age_page_down_ageonly(page);

//在alloc_page中的rmqueue中，从buddy系统中获取page时，已经将page.count置1,如果只有单个进程MMU的引用或者只有buffer_head的引用，page.count为2；如果是单个进程mmap，那么这个page既被映射到MMU中，又被加载到bh中，所以page.count为3.
//这里只是单独处理高速缓存的部分，处理MMU引用在try_to_swap_out。所以如果存在page->buffers，说明其被bh引用，page.count最大是2，才能释放到inactive_dirty_list。
		if (page->age == 0 && page_count(page) <=
					(page->buffers ? 2 : 1)) {
            //将page加入到inactive_dirty_list中
			deactivate_page_nolock(page);
				page_active = 0;
		} else {
				page_active = 1;
		}
....
}

4.Inactive_dirty_list-->inactive_clean_list

        active_list-->inactive_dirty_list,主要涉及到函数refill_inactive，以及其调用的两个函数refill_inactive_scan和swap_out，其主要是用来识别哪些page是进程长期不使用的，可以将这些page腾出来，在内存短缺的时候供其他进程使用。

        所以当内存短缺的时候，需要执行page_launder，将Inactive_dirty_list中不干净的页面洗净（同步到盘上），将其转入inactive_clean_list，待进一步的回收。

4.1普通内存

        普通内存在try_to_swap_out因为pte_dirty已经set_page_dirty，所以在page_launder会检查page这个标志位是否置上，如果置上再将其写入到盘上

page_launder
{
...
//遍历整个inactive_dirty_listlist，注意这里如果不移到其他管理链表中，还在inactive_dirty_list中时，会将其插入到最后
maxscan = nr_inactive_dirty_pages;
while ((page_lru = inactive_dirty_list.prev) != &inactive_dirty_list &&
			maxscan-- > 0) {
page = list_entry(page_lru, struct page, lru);
...
if (PageDirty(page)) {
	int (*writepage)(struct page *) = page->mapping->a_ops->writepage;
	int result;

	if (!writepage)
		goto page_active;

//在第二次进来的时候再向盘上写
	/* First time through? Move it to the back of the list */
	if (!launder_loop) {
		list_del(page_lru);
		list_add(page_lru, &inactive_dirty_list);
		UnlockPage(page);
	    continue;
	}

	/* OK, do a physical asynchronous write to swap.  */
	ClearPageDirty(page);
	page_cache_get(page);
	spin_unlock(&pagemap_lru_lock);
//page->mapping->a_ops->writepage,如果是交换盘是swap_writepage，如果是mmap，则是ext2_writepage
	result = writepage(page);
	page_cache_release(page);

	/* And re-start the thing.. */
	spin_lock(&pagemap_lru_lock);
//写完，在这里退出此次page的操作
	if (result != 1)
		continue;
	/* writepage refused to do anything */
	set_page_dirty(page);
	goto page_active;
}
...
else if (page->mapping && !PageDirty(page)) {
			/*
			 * If a page had an extra reference in
			 * deactivate_page(), we will find it here.
			 * Now the page is really freeable, so we
			 * move it to the inactive_clean list.
			 */
//从inactive_dirty_list移到inactive_clean_list
	del_page_from_inactive_dirty_list(page);
	add_page_to_inactive_clean_list(page);
	UnlockPage(page);
	cleaned_pages++;
} 
...
}

swap_writepage-->rw_swap_page-->rw_swap_page_base
rw_swap_page_base
{
    ...
//从swap_info中获取要写的设备（dev）或者inode(swapf)
    get_swaphandle_info(entry, &offset, &dev, &swapf);

//获取底层的参数dev block（物理）
    if (dev) {
		zones[0] = offset;
		zones_used = 1;
		block_size = PAGE_SIZE;
	} else if (swapf) {
		int i, j;
		unsigned int block = offset
			<< (PAGE_SHIFT - swapf->i_sb->s_blocksize_bits);

		block_size = swapf->i_sb->s_blocksize;
		for (i=0, j=0; j< PAGE_SIZE ; i++, j += block_size)
			if (!(zones[i] = bmap(swapf,block++))) {
				printk("rw_swap_page: bad swap file\n");
				return 0;
			}
		zones_used = i;
		dev = swapf->i_dev;
	} 
    ...
//在其中提交申请submit_bh
    brw_page(rw, page, dev, zones, block_size);
    ..
}

4.2高速缓存

        高速缓存不像普通内存换出那样在页面短缺的时候才同步，会周期性的（或者在balance_dirty发现dirty的bh过多时）通过bdflush去flush_dirty_buffers，以防止脏缓存的集中性写入。

balance_dirty-->wakeup_bdflush-->flush_dirty_buffers
bdflush-->flush_dirty_buffers
flush_dirty_buffers
{
...
    bh = lru_list[BUF_DIRTY];
...
    for (i = nr_buffers_type[BUF_DIRTY]; i-- > 0; bh = next) {
		next = bh->b_next_free;
        ...
//提交申请submit_bh，写缓存
        ll_rw_block(WRITE, 1, &bh);
        ...
    }
...
}

        另外因为内存短缺而执行page_launder，会将这些干净页面放入到inactive_clean_list中，如果遇到页面短缺程度比较大，也会在try_to_free_buffers中将一些老化但是没同步的内存同步到盘上，然后释放至inactive_clean_list。

page_launder
{
...
//遍历整个inactive_dirty_listlist，注意这里如果不移到其他管理链表中，还在inactive_dirty_list中时，会将其插入到最后
maxscan = nr_inactive_dirty_pages;
while ((page_lru = inactive_dirty_list.prev) != &inactive_dirty_list &&
			maxscan-- > 0) {
page = list_entry(page_lru, struct page, lru);
...
if (page->buffers) {
...
//从inactive_dirty_list移除
del_page_from_inactive_dirty_list(page);
...

//释放bh，如果短缺（wait）严重会同步缓存
/* Try to free the page buffers. */
clearedbuf = try_to_free_buffers(page, wait);
...
    if (!clearedbuf) {
    ...
     else/* page->mapping && page_count(page) == 2 */ {
        //添加至inactive_clean_list
	    add_page_to_inactive_clean_list(page);
    	cleaned_pages++;
	}
...
}
}
try_to_free_buffers
{
...
    do {
		struct buffer_head *p = tmp;

		tmp = tmp->b_this_page;
//检查是否写到盘上
		if (buffer_busy(p))
			goto busy_buffer_page;
	} while (tmp != bh);
...
    //释放page对应的bh至unused_list，如果有足够的bh，则将其释放至slab
         if (p->b_dev != B_FREE) {
			remove_inode_queue(p);
			__remove_from_queues(p);
		} else
			__remove_from_free_list(p, index);
		__put_unused_buffer_head(p);
    
    //将bh对page的引用计数释放
    page->buffers = NULL;
	page_cache_release(page);
...
busy_buffer_page:
    if (wait) {
        //向盘上同步
		sync_page_buffers(bh, wait);
		/* We waited synchronously, so we can free the buffers. */
		if (wait > 1 && !loop) {
			loop = 1;
			goto cleaned_buffers_try_again;
		}
	}
	return 0;
}

注：bh和page是两套系统：

        1.bh在使用时，存放在lru_list中

        2.free_list主要是用于一些磁盘的管理结构，例如super，inode.i_block等，这些结构都是内核使用的，不需要通过page去访问。因为这个page所对应的多个block可能是不同设备中的不连续的block。

        3.unused_list相比于free_list，更偏重于进程的访问（sys_read/sys_write）,一个page和inode中连续的block是相对应的，page.index指的是page在inode中的逻辑偏移。但是在free_list的bh不足时，会向unused_list申请bh。

        4.在内核释放一些不需要的bh时，是通过brelse释放，存放在lru_list中；

          如果内核在执行过程中出问题，需要将之前依赖的一些bh释放时，会使用bforget接口，将其释放至freelist，但是还能通过hash（dev,block）找到bh;

        但是可能因为一些特殊情况（例如set_blocksize改变文件系统的逻辑块大小），会将brelse彻底释放的bh放到free_list中（因为blocksize已经改变，要重新将其分配）。因为bh已无效，hash（dev，block）是断开的；

        如果要将bh释放给slab，需要通过__put_unused_buffer_head（一般是进程出错自己释放，或者由try_to_free_buffers释放page的时候一起释放）

        5.总结

是否在hash中是否指向实际内存（page）
lru_list在有内存
free_list在（小概率不在）有内存
unused_list不在没内存

5.Inactive_clean_list-->buddy系统

        这主要是将page彻底回收（与address_space断开），然后通过free_page释放给buddy系统。

kreclaimd
{

    ...
    //将page从address_space断开，并且将hash移除
    page = reclaim_page(zone);
    ...
    //释放给buddy
    __free_page(page);
    ...

}

reclaim_page
{

    ...
    maxscan = zone->inactive_clean_pages;
	while ((page_lru = zone->inactive_clean_list.prev) !=
			&zone->inactive_clean_list && maxscan--) {
		page = list_entry(page_lru, struct page, lru);
 
        ...
        //这两个分别从swapper_space，和inode.i_mapping中移除，解除hash。
        /* OK, remove the page from the caches. */
         if (PageSwapCache(page)) {
			__delete_from_swap_cache(page);
			goto found_page;
		}

		if (page->mapping) {
			__remove_inode_page(page);
			goto found_page;
		}
        ...
    }
    ...
    found_page:
        //从inactive_clean_list中移除
	    del_page_from_inactive_clean_list(page);
    ...
}

6.总结

普通内存换出：

1.在refill_inactive函数中分别通过try_to_swap_out检查是否受到访问，并在refill_inactive_scan将其老化。如果长时间没受到访问，refill_inactive会在try_to_swap_out后面将其和pte解除映射，存放至inactive_dirty_list。

2.在内存短缺的时候，会通过page_launder将内存写到盘上，并添加至inactive_clean_list。

3.如果该zone的free_page较少，会通过kreclaimd将其释放给buddy

注：当page释放给inactive_dirty_list时，因为已经和pte断开，所以在此访问时只能通过do_page_fault中的do_swap_page将page换入。如果此时page还没释放给buddy，可以在hash中查找；如果已经完全释放，则需要通过read_swap_cache（最后调用rw_swap_page_base读）将page从盘上读进来

高速缓存的释放：

1.进程会通过sys_read/sys_write（内核会通过getblk）增加page.age，并且在refill_inactive中的refill_inactive_scan将其老化；如果彻底老化，refill_inactive_scan后续会将其移至inactive_dirty_list

2.平时会有bdflush（或者在balance_dirty发现dirty的bh过多时）去flush_dirty_buffers，将缓存同步，当内存短缺时，会通过page_launder将其移至inactive_clean_list（如果特别短缺，page_launder也会在try_to_free_buffers中做脏缓存的同步）

3.如果该zone的free_page较少，会通过kreclaimd将其释放给buddy，之后要读只能再次从盘上读取。

本文参考《Linux内核源代码情景分析》

标签：swap,--,list,inactive,换出,dirty,page,高速缓存,内存
来源： https://blog.csdn.net/qq_41104683/article/details/122467175