Linux 內存管理的水位控制

分區頁框分配器之水位

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

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 區中高於 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 在總內存中的佔比，然後通過 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 的關係：low = min *125%，high = min * 150%。min，low，high 之間的比例關係與 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。

爲什麼需要設置每個 zone 的保留內存呢，lowmem_reserve 的作用是什麼？

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 失敗後，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)

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 裏字段 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：

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/Cb7am00qbCcPAZgtflmXyg

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