Linux中的冷热页机制简述
什么是冷热页？
在LinuxKernel的物理内存管理的BuddySystem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L2Cache)，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：
BuddyAllocator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L2Cache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L2Cache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？Whileallocatingaphysicalpageframe,thereisabitspecifyingwhetherwewouldlikeahotoracoldpage(thatis,apagelikelytobeintheCPUcache,orapagenotlikelytobethere).IfthepagewillbeusedbytheCPU,ahotpagewillbefaster.IfthepagewillbeusedfordeviceDMAtheCPUcachewouldbeinvalidatedanyway,andacoldpagedoesnotwastepreciouscachecontents.
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。
BuddySystem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
structper_cpu_pages{
intcount;//numberofpagesinthelist
inthigh;//highwatermark,emptyingneeded
intbatch;//chunksizeforbuddyadd/remove
//Listsofpages,onepermigratetypestoredonthepcp-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）
structlist_headlists[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()shouldbecalledfrom__rmqueue_bulk().But
*wecheatbycallingitfromhere,intheorder>0path.Savesabranch
*ortwo.
*/
staticinline
structpage*buffered_rmqueue(structzone*preferred_zone,
structzone*zone,intorder,gfp_tgfp_flags,
intmigratetype)
{
unsignedlongflags;
structpage*page;
//分配标志是__GFP_COLD才分配冷页
intcold=!!(gfp_flags&__GFP_COLD);
again:
if(likely(order==0)){
structper_cpu_pages*pcp;
structlist_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BuddySystem中分配。
pcp->count+=rmqueue_bulk(zone,0,
pcp->batch,list,
migratetype,cold);
if(unlikely(list_empty(list)))
gotofailed;
}
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,structpage,lru);
else
//分配热页时，从链表头分配
page=list_entry(list->next,structpage,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_NOFAILisnottobeusedinnewcode.
*
*All__GFP_NOFAILcallersshouldbefixedsothatthey
*properlydetectandhandleallocationfailures.
*
*Wemostdefinitelydon'twantcallersattemptingto
*allocategreaterthanorder-1pageunitswith
*__GFP_NOFAIL.
*/
WARN_ON_ONCE(order>1);
}
spin_lock_irqsave(&zone->lock,flags);
page=__rmqueue(zone,order,migratetype);
spin_unlock(&zone->lock);
if(!page)
gotofailed;
__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))
gotoagain;
returnpage;
failed:
local_irq_restore(flags);
returnNULL;
}
以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持毛票票。