Ключевые слова:linux, memory, malloc, kernel, (найти похожие документы)
Date: Fri, 31 May 2002 11:37:42 +0400
From: Andrey Rudyavsky <[email protected]>
Newsgroups: fido7.ru.linux
Subject: Как Linux работает с памятью
KT> 3. Hасколько вообще эффективна pабота с памятью в Linux?
=== Cut ===
Как Linux работает с памятью
Случилось мне однажды поинтересоваться как же ядро работает с самым дорогим
что у него есть, с памятью. Первые попытки разобраться с налету что и как
ни к чему не привели. е все так просто как хотелось бы. Отовсюду торчат
концы, вроде все ясно, но как связать их воедино...
Возникла мысль обратиться к прошлому , чтобы по крайней мере разобраться
как все это развивалось (версия 0.1). Это помогло понять и современное
ядро. В дальнейшем речь пойдет о ядрах серии 2.2 об изменениях в 2.4 будет
сообщено особо.
Не буду углубляться в тонкости функционирования защищенного режима
процессора об этом написаны целые фолианты. Посмотрим только самую суть.
Итак, в овнове всего лежат страницы памяти. В ядре они описываются
структурой mem_map_t.
typedef struct page {
/* these must be first (free area handling) */
struct page *next;
struct page *prev;
struct inode *inode;
unsigned long offset;
struct page *next_hash;
atomic_t count;
unsigned long flags; /* atomic flags, some possibly updated
asynchronously */
struct wait_queue *wait;
struct page **pprev_hash;
struct buffer_head * buffers;
} mem_map_t;
Уже тут наблюдается навороченность. Множество всяких ссылок. Все они
используются . Одна страница может находиться в разных списках , например и
всписке страниц в страничном кеше и в списке страниц относящихся к
отображенному в память файлу (inode).В структуре описывающей последний
можно найти и обратную ссылку,что очень удобно.
Все страницы адресуются глобальным указателем mem_map
mem_map_t * mem_map
Адресация страниц порисходит очень хитро. Если раньше в структуре page
было отдельное поле указывающее на физический адрес (map_nr), то теперь он
вычисляется
static inline unsigned long page_address(struct page * page)
{
return PAGE_OFFSET + PAGE_SIZE * (page - mem_map);
}
Свободные страницы хранятся в особой структуре free_area
static struct free_area_struct free_area[NR_MEM_TYPES][NR_MEM_LISTS];
, где первое поле отвечает за тип области : Ядра, Пользователя, DMA и.т.д.
И обрабатываются по очень хитрому алгоритму.
Страницы делятся на свободные непрерывные обрасти размера 2 в степени x
умноженной на размер страницы ( (2^x)*PAGE_SIZE ). Области одного размера
лежат в одной области массива.
....
|------
|Свободные Страницы размера PAGE_SIZE*4 ---> список свободных областей
|------
|Свободные Страницы размера PAGE_SIZE*2 ---> список свободных областей
|------
|Свободные Страницы размера PAGE_SIZE ---> список свободных областей
|------
Выделяет страницу функция get_free_pages(order). Она выделяет страницы
составляющие область размера PAGE_SIZE*(2^order). Ищется область
соответствующего размера или больше. Если есть только область большего
размера то она делится на несколько маленьких и берется нужный кусок. Если
свободных страниц недостаточно, то некоторые будут сброшены в область
подкачки и процесс выделенения начнется снова.
Возвращает страницу функция free_pages(struct page, order). Высвобождает
страницы начинающиеся с page размера PAGE_SIZE*(2^order). Область
возвращается в массив свободных обрастей в соответствующую позицию и после
этого происходит попытка объединить несколько областей для создания одной
большего размера.
Отсутствие страницы в памяти обрабатыватся ядром особо. Страница может или
вообще отсутствовать или находиться в области подкачки.
Вот собственно и вся базовая работа с реальными страницами.Самое время
вспомнить, что процесс работает все-каки с виртуальными адресами, а не с
физическими. Преобразование происходит посредством вичислений, используя
таблицы дескрипторов, и каталоги таблиц. Linux поддерживает 3 уровня
таблиц: каталог таблиц первого уровня (PGD - Page Table Directory),каталог
таблиц второго уровня (PMD - Medium Page Table Diractory), и наконец
таблица дескрипторов (PTE - Page Table Entry). Реально конкректным
процессором могут поддерживаться не все уровни, но запас позволяет
поддерживать больше возможных архитектур (Intel имеет 2 уровня таблиц, а
Alpha - целых 3 ). Преобразование виртуального адреса в физический
происходит соответственно в 3 этапа. Берется указатель PGD, имеющийся в
структуре описывающий каждый процесс, преобразуется в указатель записи PMD,
а последний преобразуется в указатель в таблице дескрипторов PTE. И наконец
к реальному адресу указывающему на начало страницы прибавляют смещение от
ее начала.
page_dir = pgd_offset(vma->vm_mm, address);
if (pgd_none(*page_dir))
return;
if (pgd_bad(*page_dir)) {
printk("bad page table directory entry %p:[%lx]\n",
page_dir, pgd_val(*page_dir));
pgd_clear(page_dir);
return;
}
page_middle = pmd_offset(page_dir, address);
if (pmd_none(*page_middle))
return;
if (pmd_bad(*page_middle)) {
printk("bad page table directory entry %p:[%lx]\n",
page_dir, pgd_val(*page_dir));
pmd_clear(page_middle);
return;
}
page_table = pte_offset(page_middle, address);
Вообще-то все данные об используемой процессом памяти помещаются в
структуре mm_struct
struct mm_struct {
struct vm_area_struct *mmap; /* Список отображенных
областей */
struct vm_area_struct *mmap_avl; /* Те же области но уже в
виде дерева для более быстрого поиска*/
struct vm_area_struct *mmap_cache; /* Последняя найденная
область*/
pgd_t * pgd;
/*Каталог таблиц*/
atomic_t count;
int map_count; /* Количество областей*/
struct semaphore mmap_sem;
unsigned long context;
unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;
unsigned long start_brk, brk, start_stack;
unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;
unsigned long rss, total_vm, locked_vm;
unsigned long def_flags;
unsigned long cpu_vm_mask;
unsigned long swap_cnt; /* number of pages to swap on next pass */
unsigned long swap_address;
/*
* This is an architecture-specific pointer: the portable
* part of Linux does not know about any segments.
*/
void * segments;
};
Сразу замечаем, что помимо вполне понятных указателей на начало данных
(start_code, end_code ...) кода и стека есть указатели на данные
отображенных файлов (mmap). Это надо сказать особенность Linux - тащить в
себя все что только можно. Может быть это и хорошо, но с другой стороны так
разбазариваться памятью (вспомним еще буфера ввода/вывода при файловой
системе, которые тоже будут кушать все новую память пока она есть) Данный
подход может негативно отразиться на стабильности системы, ведь для запуска
какого-то жизненно необходимого процесса может потребоваться время на
освобождение лишних кешей. Простенькая проверка на потерю свободной памяти:
введите команду "cat /dev/mem >/image " и посмотрите сколько свободной
памяти после этого осталось. Если вам это не нравится, то обратите взгляд
на функцию invalidate_inode_pages(* struct_inode), освобождающую страничный
кэш для данного файла.
При любом открытии файла, он сразу же отображается в память и добавляется в
страничный кэш. Реальный же запрос на отображение файла только возвращает
адрес на уже скешированные страницы.
а уровне процесса работа может вестить как со страницами напямую, так и
через абстрактную структуру vm_area_struct
struct vm_area_struct {
struct mm_struct * vm_mm; /* VM area parameters */
unsigned long vm_start;
unsigned long vm_end;
/* linked list of VM areas per task, sorted by address */
struct vm_area_struct *vm_next;
pgprot_t vm_page_prot;
unsigned short vm_flags;
/* AVL tree of VM areas per task, sorted by address */
short vm_avl_height;
struct vm_area_struct * vm_avl_left;
struct vm_area_struct * vm_avl_right;
/* For areas with inode, the list inode->i_mmap, for shm areas,
* the list of attaches, otherwise unused.
*/
struct vm_area_struct *vm_next_share;
struct vm_area_struct **vm_pprev_share;
struct vm_operations_struct * vm_ops;
unsigned long vm_offset;
struct file * vm_file;
unsigned long vm_pte; /* shared mem */
};
struct vm_operations_struct {
void (*open)(struct vm_area_struct * area);
void (*close)(struct vm_area_struct * area);
void (*unmap)(struct vm_area_struct *area, unsigned long, size_t);
void (*protect)(struct vm_area_struct *area, unsigned long, size_t,
unsigned int newprot);
int (*sync)(struct vm_area_struct *area, unsigned long, size_t,
unsigned int flags);
void (*advise)(struct vm_area_struct *area, unsigned long, size_t,
unsigned int advise);
unsigned long (*nopage)(struct vm_area_struct * area, unsigned long
address, int write_access);
unsigned long (*wppage)(struct vm_area_struct * area, unsigned long
address,
unsigned long page);
int (*swapout)(struct vm_area_struct *, struct page *);
pte_t (*swapin)(struct vm_area_struct *, unsigned long, unsigned
long);
};
Идея данной структуры возникла из идеи виртуальной файловой системы,
поэтому все операции над виртуальными областями абстрактны и могут быть
специфичными для разных типов памяти, например при отображении файлов
операции чтения одни а при отображении памяти (через файл /dev/mem )
совершенно другие. Первоначально vm_area_struct появилась для обеспечения
нужд отображения, но постепенно распространяется и на другие области.
Что делать, когда требуется получить новую область памяти. Есть целых 3
способа.
1. Уже знакомый get_free_page()
2. kmalloc - Простенькая (по возможностям, но отнюдь не коду) процедура с
большими ограничениями по выделению новых областей и по их размеру.
3. vmalloc - Мощная процедура, работающая с виртуальной памятью, может
выделять большие объемы памяти.
С каждой из двух процедур в ядре связаны еще по списку свободных/занятых
областей, что еще больше усложняет понимание работы с памятью. (vmlist
для vmalloc, kmem_cash для kmalloc)
Что же в 2.4.
Добавлена поддержка новой архитектуры памяти NUMA. В противовес
классической UMA память делится на зоны с разным временем доступа к каждой
из них . Это очень полезно и для кластерных решений. В связи с этим
появились новые обертки на функции и найти суть стало еще сложнее.
Появилась также поддержка памяти до 64Гб.
Раньше для всех файловых систем был один generic_file_read и
generic_file_mmap в связи с тотальным засасыванием всего подряд в память
при чтении (различия делались уже только на уровне inode->readpage). Теперь
появился и generic_file_write. В общем еще пара таких generic и прощай
виртуальная файловая система.
о посмотрим - увидим. Ведь Linux развивается очень быстро и не всегда
предсказуемо.
Stanislav Ievlev.
