內(nèi)存管理

在內(nèi)核中分配內(nèi)存不像在其他地方分配內(nèi)存那么容易。造成這種局面的因素很多扶平，根本原因是內(nèi)核本身不能像用戶空間那樣奢侈地使用內(nèi)存帆离。

1.頁

內(nèi)核把物理頁作為內(nèi)存管理的基本單位。內(nèi)存管理單元(MMU,管理內(nèi)存并把虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址的硬件)通常以頁為單位结澄。體系結(jié)構(gòu)不同哥谷，支持的頁大小也不同。內(nèi)核用struct page結(jié)構(gòu)表示每個物理頁：

struct page {
         unsigned long flags;                                                      
         atomic_t count;                
         unsigned int mapcount;          
         unsigned long private;          
         struct address_space *mapping;  
         pgoff_t index;                  
         struct list_head lru;  
         void *virtual;                  
};

對上面重要變量說明：

• flag的每一位單獨表示一個狀態(tài)麻献，標志定義在<linux/page-flags.h>
• count存放頁的引用次數(shù)们妥，為0則是空閑頁
• virtual是頁的虛擬地址

2.區(qū)

由于硬件限制，內(nèi)核對頁不能一視同仁勉吻。有些頁位于內(nèi)存特定的物理地址上监婶，不能用于一些特定的任務，因此內(nèi)核把頁劃分為不同的區(qū)(zone)齿桃。Linux必須處理如下兩種由于硬件缺陷而引起的內(nèi)存尋址問題：

• 一些硬件只能用某些特定內(nèi)存來執(zhí)行DMA（直接內(nèi)存訪問）
• 一些體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)存物理尋址范圍比虛擬尋址范圍大的多惑惶，因此部分內(nèi)存永遠無法映射到內(nèi)核空間

因此Linux主要存在四種區(qū):

• ZONE_DMA，包含的頁可以執(zhí)行DMA
• ZONE_DMA32短纵，和ZONE_DMA不同在于带污，這些頁面只能被32位設備訪問，某些體系下該區(qū)比ZONE_DMA更大
• ZONE_NORMAL踩娘，能夠正常映射的頁
• ZONE_HIGHMEM刮刑，不能永久被映射到內(nèi)核空間地址的區(qū)

每個區(qū)都用struct zone表示，定義在<linux/mmzone.h>：

struct zone {
         spinlock_t              lock;
         unsigned long           free_pages;
         unsigned long           pages_min, pages_low, pages_high;
         unsigned long           protection[MAX_NR_ZONES];
         spinlock_t              lru_lock;       
         struct list_head        active_list;
         struct list_head        inactive_list;
         unsigned long           nr_scan_active;
         unsigned long           nr_scan_inactive;
         unsigned long           nr_active;
         unsigned long           nr_inactive;
         int                     all_unreclaimable; 
         unsigned long           pages_scanned;    
         struct free_area        free_area[MAX_ORDER];
         wait_queue_head_t       * wait_table;
         unsigned long           wait_table_size;
         unsigned long           wait_table_bits;
         struct per_cpu_pageset  pageset[NR_CPUS];
         struct pglist_data      *zone_pgdat;
         struct page             *zone_mem_map;
         unsigned long           zone_start_pfn;
 
         char                    *name;
         unsigned long           spanned_pages;  
         unsigned long           present_pages;  
};

其中养渴，lock是自旋鎖防止該結(jié)構(gòu)被并發(fā)訪問；watermark數(shù)組持有該區(qū)的最小值泛烙、最低和最高水位值理卑；name是以NULL結(jié)尾的區(qū)名字，三個區(qū)名字為DMA蔽氨，Normal和HighMem藐唠。

3.獲得頁

前面了解了頁和區(qū)的概念，下面講述如何請求和釋放頁鹉究。

請求頁

釋放頁

釋放頁需要謹慎润脸，只能釋放屬于你的頁柬脸。傳遞了錯誤的struct page或地址，毙驯，用了錯誤的order值都可能導致系統(tǒng)崩潰倒堕。

例如釋放8個頁：

free_pages(page, 3)

可以看到釋放過程與C語言的釋放內(nèi)存很相似的。

4.kmalloc()

上述的方法是對以頁為單位的連續(xù)物理頁爆价，而以字節(jié)為單位的分配垦巴，內(nèi)核提供的函數(shù)是kmalloc()。使用方法和malloc()類似铭段，只是多了一個flags參數(shù)魂那，其在<linux/slab.h>中聲明：

void * kmalloc(size_t size, gfp_t flags)

與kmalloc()對應的函數(shù)就是kfree()，kfree()聲明于<linux/slab.h>中：

void kfree(const void *ptr)

5.vmalloc()

vmalloc()和kmalloc()工作方式類似稠项，但是kmalloc()使用的連續(xù)的物理地址涯雅。vmalloc()使用非連續(xù)的物理地址，該函數(shù)為了把物理上不連續(xù)的頁轉(zhuǎn)換為虛擬地址空間上連續(xù)的頁展运，必須專門建立頁表項活逆。

大多數(shù)情況下，一般硬件設備需要使用連續(xù)的物理地址拗胜，而軟件可以使用非連續(xù)的物理地址蔗候，但是大多數(shù)情況，為了性能提升埂软，內(nèi)核往往用kmalloc()更多锈遥。

vmalloc()函數(shù)聲明在<linux/vmalloc.h>中，定義在<mm/vmalloc.c>中勘畔。用法和用戶空間的malloc()相同:

void * vmalloc(unsigned long size)

釋放通過vmalloc()所獲得的內(nèi)存所灸，使用下面函數(shù):

void vfree(const void *addr)

6.slab層

分配和釋放數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是所有內(nèi)核中最常用操作之一。為了便于數(shù)據(jù)的頻繁分配和回收炫七，編程人員常常會用到空閑鏈表爬立。空閑鏈表包含可供使用的、已經(jīng)分配好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)塊万哪。當代名需要一個新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實例時侠驯，就可以從空閑鏈表中抓取一個，而不需要分配內(nèi)存奕巍，再把數(shù)據(jù)存放進去吟策。不需要這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實例時，就放回空閑鏈表的止，而不是釋放它檩坚。空閑鏈表相對于對象的高速緩存——快速存儲頻繁使用的對象類型(這個策略簡直是awesome！)。

沒有免費的蛋糕效床，對于空閑鏈表存在的主要問題是無法全局控制睹酌。當內(nèi)存緊缺時，內(nèi)核無法通知每個空閑鏈表剩檀，讓其收縮緩存的大小憋沿，以便釋放部分內(nèi)存。實際上沪猴，內(nèi)核根本就不知道任何空閑鏈表辐啄。因此未來彌補這個缺陷，Linux內(nèi)核提供了slab層（也就是所謂的slab分配器）运嗜。slab分配器扮演了通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緩存層的角色壶辜。對于slab分配器設計需要考慮一下幾個原則:

• 頻繁使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也會頻繁分配和釋放，因此應當緩存它們担租。
• 頻繁分配和回收必然會導致內(nèi)存碎片砸民。為了避免這種情況，空閑鏈表的緩存會連續(xù)地存放奋救。因為已釋放的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)又會放回空閑鏈表岭参，不會導致碎片。
• 回收的對象可以立即投入下一次分配尝艘，因此演侯，對于頻繁的分配和釋放，空閑鏈表能夠提高其性能背亥。
• 如果讓部分緩存專屬于單個處理器秒际，那么，分配和釋放就可以在不加SMP鎖的情況下進行狡汉。
• 對存放的對象進行著色娄徊，以防止多個對象映射到相同的高速緩存行。

slab層把不同的對象劃分為所謂的高速緩存組轴猎，其中每個高速緩存都存放不同類型的對象嵌莉，每種對象類型對應一個高速緩存，例如一個高速緩存用于task_struct捻脖，一個用于struct inode。kmalloc()接口建立在slab層上中鼠，使用了一組通用高速緩存可婶。這些緩存又被分為slabs，slab由一個或多個物理上連續(xù)的頁組成援雇，一般情況下矛渴，slab也就僅僅由一頁組成。每個高速緩存可以由多個slab組成。每個slab都包含一些對象成員具温，這里的對象指的是被緩存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)蚕涤，每個slab處于三種狀態(tài)之一：滿，部分滿铣猩，空揖铜。當內(nèi)核的某一部分需要一個新的對象時，先從部分滿的slab中進行分配达皿。如果沒有部分滿的slab天吓，就從空的slab中進行分配。如果沒有空的slab峦椰，就要創(chuàng)建一個slab了龄寞。下圖給出高速緩存，slab及對象之間的關系：

高速緩存汤功、slab和對象關系

每個緩存都使用kmem_catche結(jié)構(gòu)表示物邑，結(jié)構(gòu)中包含3個鏈表。這些鏈表包含高速緩存所有的slab滔金。slab描述符struct slab用來描述每個slab:

struct slab {
        struct list_head  list;       /*滿色解，部分滿或空鏈表*/
        unsigned long     colouroff;  /*slab著色的偏移量*/
        void              *s_mem;     /*在slab中的第一個對象*/
        unsigned int      inuse;      /*已分配的對象數(shù)*/
        kmem_bufctl_t     free;       /*第一個空閑對象*/
};

slab層負責內(nèi)存緊缺情況下所有底層的對齊、著色鹦蠕、分配冒签、釋放和回收等。

7.棧上的靜態(tài)分配

在前面討論的分配例子钟病，不少可以分配到棧上萧恕。用戶空間可以奢侈地負擔很大的棧，而且棾澹空間還可以動態(tài)增長票唆，相反內(nèi)核空間不能——棧小而固定。給每個進程分配一個固定小棧屹徘，可以減小內(nèi)存消耗和棧管理任務負擔走趋。

進程的內(nèi)核棧大小既依賴體系結(jié)構(gòu)，也和編譯時的選項有關噪伊。在任何一個函數(shù)中簿煌，都必須盡量節(jié)省棧資源。讓函數(shù)所有局部變量之后不要超過幾百字節(jié)(棧上分配大量的靜態(tài)分配是不理智的)鉴吹，棧溢出就會覆蓋掉臨近堆棧末端的數(shù)據(jù)姨伟。首先就是前面講的thread_info。

8.每個CPU使用數(shù)據(jù)

支持SMP的操作系統(tǒng)使用每個CPU上的數(shù)據(jù)豆励，對于給定的處理器其數(shù)據(jù)是唯一的夺荒。一般而言，每個CPU的數(shù)據(jù)存放在一個數(shù)組內(nèi)，數(shù)組中的每一項對應著系統(tǒng)上一個存在的處理器技扼，安裝當前處理器號就能確定這個數(shù)組的當前元素伍玖。

在Linux中引入了新的操作接口稱為percpu，頭文件<linux/percpu.h>聲明了所有接口操作例程剿吻，可以在文件mm/slab.c和<asm/percpu.h>找到定義窍箍。

使用每個CPU數(shù)據(jù)的好處是：

• 減少了數(shù)據(jù)鎖定
• 大大減少了緩存失效，一個CPU操作另一個CPU的數(shù)據(jù)時和橙，必須清理另一個CPU的緩存并刷新仔燕，存在不斷的緩存失效。持續(xù)不斷的緩存失效稱為緩存抖動魔招。

這種方式的唯一安全要求就是禁止內(nèi)核搶占晰搀，同時注意進程在訪問每個CPU數(shù)據(jù)過程中不能睡眠——否則，喚醒之后可能已經(jīng)到其他處理器上了办斑。