Linux 內存管理的水位控制

作者：布道師Peter 2021-05-27 05:28:18

在講分區頁框分配器分配內存的時候，進入伙伴算法前用函數zone_watermark_fast()，來根據水位來判斷當前內存情況。內存夠的話采用伙伴算法分配，不夠的話通過 node_reclaim 回收內存。

[[401801]]

本文轉載自微信公眾號「人人都是極客」，作者布道師Peter 。轉載本文請聯系人人都是極客公眾號。

分區頁框分配器之水位

水位的初始化

先看下水位的初始化：

int __meminit init_per_zone_wmark_min(void) 
{ 
        unsigned long lowmem_kbytes; 
        int new_min_free_kbytes; 
 
        lowmem_kbytes = nr_free_buffer_pages() * (PAGE_SIZE >> 10);      ------ (1)   
        new_min_free_kbytes = int_sqrt(lowmem_kbytes * 16); 
 
        if (new_min_free_kbytes > user_min_free_kbytes) { 
                min_free_kbytes = new_min_free_kbytes;                   ------ (2) 
                if (min_free_kbytes < 128) 
                        min_free_kbytes = 128; 
                if (min_free_kbytes > 65536) 
                        min_free_kbytes = 65536; 
        } else { 
                pr_warn("min_free_kbytes is not updated to %d because user defined value %d is preferred\n", 
                                new_min_free_kbytes, user_min_free_kbytes); 
        } 
        setup_per_zone_wmarks();                                         ------ (3) 
        refresh_zone_stat_thresholds(); 
        setup_per_zone_lowmem_reserve();                                 ------ (4) 
 
#ifdef CONFIG_NUMA 
        setup_min_unmapped_ratio(); 
        setup_min_slab_ratio(); 
#endif 
 
        return 0; 
} 
core_initcall(init_per_zone_wmark_min)

(1). nr_free_buffer_pages 是獲取ZONE_DMA和ZONE_NORMAL區中高于high水位的總頁數nr_free_buffer_pages = managed_pages - high_pages

(2). min_free_kbytes 是總的min大小，min_free_kbytes = 4 * sqrt(lowmem_kbytes)

(3). setup_per_zone_wmarks 根據總的min值，再加上各個zone在總內存中的占比，然后通過do_div就計算出他們各自的min值，進而計算出各個zone的水位大小。min,low,high的關系：low = min *125%，high = min * 150%。min，low，high之間的比例關系與 watermark_scale_factor 相關。可以通過 /proc/sys/vm/watermark_scale_factor 設置

(4). setup_per_zone_lowmem_reserve 設置每個zone的lowmem_reserve大小。lowmem_reserve值可以通過 /proc/sys/vm/lowmem_reserve_ratio 來修改。

為什么需要設置每個zone的保留內存呢，lowmem_reserve的作用是什么?

我們知道內核在分配內存時，會按照 HIGHMEM->NORMAL->DMA 的方向進行遍歷，如果當前Zone分配失敗，就會嘗試下一個低級的Zone。我們可以想像應用進程通過內存映射申請 HIGHMEM，如果此時HIGHMEM Zone無法滿足分配，則會嘗試從 NORMAL 進行分配。這就有一個問題，來自 HIGHMEM Zone 的請求可能會耗盡 NORMAL Zone 的內存，最終的結果就是 NORMAL Zone 無內存提供給內核的正常分配。

因此針對這個場景，可以通過保留內存 lowmem_reserve[NORMAL] 給 NORMAL Zone 自己使用。

同樣當從NORMAL Zone失敗后，會嘗試從zonelist中的DMA Zone申請，通過lowmem_reserve[DMA]，限制來自HIGHMEM和NORMAL的分配請求。

$ cat /proc/sys/vm/lowmem_reserve_ratio 
256     32

$ cat /proc/zoneinfo 
Node 0, zone    DMA32 
    ...... 
    pages free     361678 
        min      674 
        low      2874 
        high     3314 
        spanned  523776 
        present  496128 
        managed  440432 
        protection: (0, 3998, 3998) 
    ...... 
Node 0, zone   Normal 
    pages free     706981 
        min      1568 
        low      6681 
        high     7704 
        spanned  8912896 
        present  1048576 
        managed  1023570 
        protection: (0, 0, 0) 
    ...... 
Node 0, zone  Movable 
  pages free     0 
        min      0 
        low      0 
        high     0 
        spanned  0 
        present  0 
        managed  0 
        protection: (0, 0, 0)

spanned：表示當前zone所包含的所有的pages
present：表示當前zone在去掉第一階段kernel reserve的內存之后剩下的pages
managed：表示當前zone去掉初始化完成以后所有的kernel reserve的內存剩下的pages

結合上面arm64平臺的數值舉個例子，假設這2個Zones分別包含440432, 1023570個pages(實際是/proc/zoneinfo里字段managed的值)。如下圖所示，使用每個區域的 managed pages 和 lowmem_reserve_ratio 計算每個區域的lowmem_reserve值，可以看出結果和protection值一樣。

水位的判斷

從這張圖可以看出：

如果空閑頁數目min值，則該zone非常缺頁，頁面回收壓力很大，應用程序寫內存操作就會被阻塞，直接在應用程序的進程上下文中進行回收，即direct reclaim。
如果空閑頁數目小于low值，kswapd線程將被喚醒。默認情況下，low值為min值的125%，可以通過修改watermark_scale_factor來改變比例值
如果空閑頁面的值大于high值，kswapd線程將睡眠。默認情況下，high值為min值的150%，可以通過修改watermark_scale_factor來改變比例值

責任編輯：武曉燕來源：人人都是極客

Linux 內存管理