Linux内存管理 (11)page引用计数

专题：Linux内存管理专题

关键词：struct page、_count、_mapcount、PG_locked/PG_referenced/PG_active/PG_dirty等。

Linux的内存管理是以页展开的，struct page非常重要，同时其维护成本也非常高。

这里主要介绍struct page中_count/_mapcount和flags参数。

 flags是页面标志位集合，是内存管理非常重要的部分。

_count表示内核中引用该页面的次数；_mapcount表示页面被进程映射的个数，对反向映射非常重要。

1. struct page数据结构

struct page大量使用联合体union来优化其结构大小，因为每个物理页面都需要一个struct page数据结构，因此管理成本很高。

/*
 * Each physical page in the system has a struct page associated with
 * it to keep track of whatever it is we are using the page for at the
 * moment. Note that we have no way to track which tasks are using
 * a page, though if it is a pagecache page, rmap structures can tell us
 * who is mapping it.--------------------------------------------------------------我们无法知道那个进程在使用一个页面，但是可以通过RMAP相关结构体知道谁映射到了此页面。
 *
 * The objects in struct page are organized in double word blocks in
 * order to allows us to use atomic double word operations on portions
 * of struct page. That is currently only used by slub but the arrangement
 * allows the use of atomic double word operations on the flags/mapping
 * and lru list pointers also.
 */
struct page {
    /* First double word block */
    unsigned long flags;        /* Atomic flags, some possibly
                     * updated asynchronously */
    union {
        struct address_space *mapping;    /* If low bit clear, points to----------表示页面所指向的地址空间，低两位用于判断是匿名映射还是KSM页面。位1表示匿名页面，位2表示KSM页面。
                         * inode address_space, or NULL.
                         * If page mapped as anonymous
                         * memory, low bit is set, and
                         * it points to anon_vma object:
                         * see PAGE_MAPPING_ANON below.
                         */
        void *s_mem;            /* slab first object */---------------------------用于slab分配器，slab中第一个对象的开始地址，和mapping共同占用一个字的存储空间。
    };

    /* Second double word */
    struct {
        union {
            pgoff_t index;        /* Our offset within mapping. */
            void *freelist;        /* sl[aou]b first free object */
            bool pfmemalloc;    /* If set by the page allocator,
                         * ALLOC_NO_WATERMARKS was set
                         * and the low watermark was not
                         * met implying that the system
                         * is under some pressure. The
                         * caller should try ensure
                         * this page is only used to
                         * free other pages.
                         */
        };

        union {
#if defined(CONFIG_HAVE_CMPXCHG_DOUBLE) && 
    defined(CONFIG_HAVE_ALIGNED_STRUCT_PAGE)
            /* Used for cmpxchg_double in slub */
            unsigned long counters;
#else
            /*
             * Keep _count separate from slub cmpxchg_double data.
             * As the rest of the double word is protected by
             * slab_lock but _count is not.
             */
            unsigned counters;
#endif

            struct {

                union {
                    /*
                     * Count of ptes mapped in
                     * mms, to show when page is
                     * mapped & limit reverse map
                     * searches.
                     *
                     * Used also for tail pages
                     * refcounting instead of
                     * _count. Tail pages cannot
                     * be mapped and keeping the
                     * tail page _count zero at
                     * all times guarantees
                     * get_page_unless_zero() will
                     * never succeed on tail
                     * pages.
                     */
                    atomic_t _mapcount;

                    struct { /* SLUB */
                        unsigned inuse:16;
                        unsigned objects:15;
                        unsigned frozen:1;
                    };
                    int units;    /* SLOB */
                };
                atomic_t _count;        /* Usage count, see below. */
            };
            unsigned int active;    /* SLAB */
        };
    };
...
}

 flags是页面的重要标志位，下面是详细解释：

enum pageflags {
    PG_locked,        /* Page is locked. Don't touch. */---表示页面已经上锁了。如果该比特位置位，说明页面已经被锁定；内存管理其他模块不能访问这个页面，以防发生竞争。
    PG_error,----------------------------------------------页面操作过程中发生错误会设置该位。
    PG_referenced,-----------------------------------------控制页面活跃程度，在kswapd页面回收中使用。
    PG_uptodate,-------------------------------------------表示页面的数据已经从块设备成功读取。
    PG_dirty,----------------------------------------------表示页面内容发生改变，页面为脏，页面内容被改写后还没有和外部存储器进行同步操作。
    PG_lru,------------------------------------------------表示页面加入了LRU链表，内核使用LRU链表管理活跃和不活跃页面。
    PG_active,---------------------------------------------控制页面活跃成都，在kswapd页面回收中使用。
    PG_slab,-----------------------------------------------用于slab分配器
    PG_owner_priv_1,    /* Owner use. If pagecache, fs may use*/--页面的所有者使用，如果是page cache页面，文件系统可能使用。
    PG_arch_1,---------------------------------------------与体系结构相关的页面状态位。
    PG_reserved,-------------------------------------------表示该页不可被换出。
    PG_private,        /* If pagecache, has fs-private data */--表示该页是有效的，。如果页面是page cache，那么包含一些文件系统相关的数据信息。
    PG_private_2,        /* If pagecache, has fs aux data */----如果是page cache，可能包含fs aux data。
    PG_writeback,        /* Page is under writeback */----表示页面的内容正在向块设备进行回写。
#ifdef CONFIG_PAGEFLAGS_EXTENDED
    PG_head,        /* A head page */
    PG_tail,        /* A tail page */
#else
    PG_compound,        /* A compound page */-------------一个混合页面
#endif
    PG_swapcache,        /* Swap page: swp_entry_t in private */---表示页面处于交换缓存。
    PG_mappedtodisk,    /* Has blocks allocated on-disk */
    PG_reclaim,        /* To be reclaimed asap */----------表示该页马上要被回收。
    PG_swapbacked,        /* Page is backed by RAM/swap */---------页面具有swap缓存功能，通常匿名页面才可以写回swap分区。
    PG_unevictable,        /* Page is "unevictable"  */----表示页面不可回收。
#ifdef CONFIG_MMU
    PG_mlocked,        /* Page is vma mlocked */-----------表示页面对应的VMA处于locked状态。
#endif
#ifdef CONFIG_ARCH_USES_PG_UNCACHED
    PG_uncached,        /* Page has been mapped as uncached */
#endif
#ifdef CONFIG_MEMORY_FAILURE
    PG_hwpoison,        /* hardware poisoned page. Don't touch */
#endif
#ifdef CONFIG_TRANSPARENT_HUGEPAGE
    PG_compound_lock,
#endif
    __NR_PAGEFLAGS,

    /* Filesystems */
    PG_checked = PG_owner_priv_1,

    /* Two page bits are conscripted by FS-Cache to maintain local caching
     * state.  These bits are set on pages belonging to the netfs's inodes
     * when those inodes are being locally cached.
     */
    PG_fscache = PG_private_2,    /* page backed by cache */

    /* XEN */
    /* Pinned in Xen as a read-only pagetable page. */
    PG_pinned = PG_owner_priv_1,
    /* Pinned as part of domain save (see xen_mm_pin_all()). */
    PG_savepinned = PG_dirty,
    /* Has a grant mapping of another (foreign) domain's page. */
    PG_foreign = PG_owner_priv_1,

    /* SLOB */
    PG_slob_free = PG_private,
}

内核定义了一些宏，用于检查页面是否设置了某个特定标志位，或者设置、清空某个标志位。

这些宏的定义在page-flags.h中：

#define PAGEFLAG(uname, lname) TESTPAGEFLAG(uname, lname)        
    SETPAGEFLAG(uname, lname) CLEARPAGEFLAG(uname, lname)


#define TESTPAGEFLAG(uname, lname)                    
static inline int Page##uname(const struct page *page)            
            { return test_bit(PG_##lname, &page->flags); }

#define SETPAGEFLAG(uname, lname)                    
static inline void SetPage##uname(struct page *page)            
            { set_bit(PG_##lname, &page->flags); }

#define CLEARPAGEFLAG(uname, lname)                    
static inline void ClearPage##uname(struct page *page)            
            { clear_bit(PG_##lname, &page->flags); }

以PG_lru为例：

PageLRU：检查页面是否设置了PG_lru表志位。

SetPageLRU：设置页中的PG_lru标志位。

ClearPageLRU：清除液中的PG_lry标志位。

flags处理存放上述标志位之外，还存放了page对应的zone信息。通过set_page_zone讲zone信息设置到page->flags中。

2. _count和_mapcount的区别

2.1 _count解释

 _count表示内核中引用该页面的次数。

_count == 0：表示该页面位空闲或即将要被释放。

_count > 0：表示该页面已经被分配切内核正在使用，暂不会被释放。

内核中操作_count的引用技术API有get_page()和put_page()。

static inline void get_page(struct page *page)
{
    if (unlikely(PageTail(page)))
        if (likely(__get_page_tail(page)))
            return;
    /*
     * Getting a normal page or the head of a compound page
     * requires to already have an elevated page->_count.
     */
    VM_BUG_ON_PAGE(atomic_read(&page->_count) <= 0, page);-------判断页面_count值不能小于等于0，因为伙伴系统分配好的页面初始值位1。
    atomic_inc(&page->_count);-----------------------------------原子增加引用计数。
}

  static inline int put_page_testzero(struct page *page)
  {
      VM_BUG_ON_PAGE(atomic_read(&page->_count) == 0, page);-----_count不能为0，如果为0，说明这页面已经被释放了。
      return atomic_dec_and_test(&page->_count);
  }

void put_page(struct page *page)
{
    if (unlikely(PageCompound(page)))
        put_compound_page(page);
    else if (put_page_testzero(page))------------------------如果减1之后等于0，就会释放页面。
        __put_single_page(page);-----------------------------释放页面
}

 内核还有一对常用的变种宏：

#define page_cache_get(page)        get_page(page)
#define page_cache_release(page)    put_page(page)

 _count常用于内核中跟踪page页面的使用情况，常见的用法有：

(1)分配页面时_count引用计数会变成1。

分配页面函数alloc_pages()在成功分配页面后，_count引用计数应该为0，由set_page_refcounter()设置。

/*
 * Turn a non-refcounted page (->_count == 0) into refcounted with
 * a count of one.
 */
static inline void set_page_refcounted(struct page *page)
{
    VM_BUG_ON_PAGE(PageTail(page), page);
    VM_BUG_ON_PAGE(atomic_read(&page->_count), page);
    set_page_count(page, 1);
}

(2)加入LRU链表时，page会被kswapd内核线程使用，因此_count引用计数会加1。

以malloc()为用户程序分配内存为例，发生缺页中断后do_anonymous_page()函数成功分配出来一个页面，在设置硬件PTE之前，调用lru_cache_add()函数把这个匿名页面添加到LRU链表中，在这个过程中，使用page_cache_get()宏来增加_count引用计数。

static void __lru_cache_add(struct page *page)
{
    struct pagevec *pvec = &get_cpu_var(lru_add_pvec);

    page_cache_get(page);---------------------增加计数
    if (!pagevec_space(pvec))
        __pagevec_lru_add(pvec);
    pagevec_add(pvec, page);
    put_cpu_var(lru_add_pvec);
}

(3)被映射到其他用户进程pte时，_count引用计数会加1。

子进程在被创建时共享父进程地址空间，设置父进程的pte页表项内容到子进程中并增加该页面的_count计数。

(4)页面的private中私有数据。

对于PG_swapable页面，__add_to_swap_cache函数会增加_count引用计数。

对于PG_private页面，主要在block模块的buffer_head中引用。

(5)内核对页面进行操作等关键路径上也会使_count引用计数加1。

 2.2 _mapcount解释

 _mapcount引用计数表示这个页面被进程映射的个数，即已经映射了多少个用户pte也表。

每个用户进程地址空间都有一份独立的页表，有可能出现多个用户进程地址空间同时映射到一个物理页面的情况，RMAP反向映射系统就是利用这个特性来实现的。

_mapcount引用计数主要用于RMAP反响映射系统中。

_mapcount == -1：表示没有pte映射到页面中。

_mapcount == 0：表示只有父进程映射了页面。

匿名页面刚分配时，_mapcount引用计数初始化为0.

void page_add_new_anon_rmap(struct page *page,
    struct vm_area_struct *vma, unsigned long address)
{
    VM_BUG_ON_VMA(address < vma->vm_start || address >= vma->vm_end, vma);
    SetPageSwapBacked(page);
    atomic_set(&page->_mapcount, 0); /* increment count (starts at -1) */---------------------设为0
    if (PageTransHuge(page))
        __inc_zone_page_state(page, NR_ANON_TRANSPARENT_HUGEPAGES);
    __mod_zone_page_state(page_zone(page), NR_ANON_PAGES,
            hpage_nr_pages(page));
    __page_set_anon_rmap(page, vma, address, 1);
}

_mapcount > 0：表示除了父进程外还有其他进程映射了这个页面。

 设置父进程pte页表项内容到子进程中并增加该页面的_mapcount计数。

static inline unsigned long
copy_one_pte(struct mm_struct *dst_mm, struct mm_struct *src_mm,
        pte_t *dst_pte, pte_t *src_pte, struct vm_area_struct *vma,
        unsigned long addr, int *rss)
{
...
    page = vm_normal_page(vma, addr, pte);
    if (page) {
        get_page(page);--------------------------增加_count计数
        page_dup_rmap(page);---------------------增加_mapcount计数
        if (PageAnon(page))
            rss[MM_ANONPAGES]++;
        else
            rss[MM_FILEPAGES]++;
    }
...
}

3. 页面所PG_locked

PG_locked用于设置页面锁，有两个函数用于申请页面锁：lock_page()和trylock_page()。

lock_page()用于申请页面锁，如果页面锁被其他进程占用，那么睡眠等待。

trylock_page()也同样检查PG_locked位，但是不等待。如果页面的PG_locked置位，则返回false，表明有其他进程已经锁住了页面；返回true表示获取锁成功。

int __sched
__wait_on_bit_lock(wait_queue_head_t *wq, struct wait_bit_queue *q,wait_on_bit_lock()------使用原子位操作，试着去置位，若已经置位，则任务被挂起，直到调用wake_up_bit()唤醒，等待的线程。可以被wake_up_bit唤醒。
            wait_bit_action_f *action, unsigned mode)
{
    do {
        int ret;

        prepare_to_wait_exclusive(wq, &q->wait, mode);
        if (!test_bit(q->key.bit_nr, q->key.flags))
            continue;
        ret = action(&q->key);
        if (!ret)
            continue;
        abort_exclusive_wait(wq, &q->wait, mode, &q->key);
        return ret;
    } while (test_and_set_bit(q->key.bit_nr, q->key.flags));
    finish_wait(wq, &q->wait);
    return 0;
}


void __lock_page(struct page *page)
{
    DEFINE_WAIT_BIT(wait, &page->flags, PG_locked);-----------------------------定义在哪位上等待。

    __wait_on_bit_lock(page_waitqueue(page), &wait, bit_wait_io,
                            TASK_UNINTERRUPTIBLE);
}

/*
 * lock_page may only be called if we have the page's inode pinned.
 */
static inline void lock_page(struct page *page)
{
    might_sleep();
    if (!trylock_page(page))---------------------------------------------------如果原page->flags已经被置PG_locked，则调用__lock_page进行等待使用者释放。
        __lock_page(page);
}


#define test_and_set_bit_lock(nr, addr)    test_and_set_bit(nr, addr)

static inline int trylock_page(struct page *page)
{
    return (likely(!test_and_set_bit_lock(PG_locked, &page->flags)));-----------尝试为page->flags设置PG_locked标志位，并且返回原来标志位的值。所以并不会等待。
}