标签：linux kernel 内存管理
上次讲的buddy system算法虽然效率很高，但是要从buddy system中分配出一个内存页块来，还是要做不少工作的，有时想想都会觉得很累。
在系统运行过程中，Kernel经常会有单个页面的申请和释放操作。为了进一步提高性能，也为了让生活变得轻松一点，Kernel采用了这样一种cache机制：
Memory zone为每个CPU定义了page frame cache。Kernel会在适当的时机提前从buddy system中分配好若干单页，放在这些cache中。以后Kernel若要申请单个页面，直接从cache中拿一个就可以了，不用再去和buddy system打交道。
实际上，memory zone为每个CPU定义了两个page frame cache。一个hot cache，一个cold cache。hot还是cold，主要是相对于CPU的缓存来说的。
一般来说，从hot cache中分配页面可以提高系统性能，因为该页面的内容很可能还保存在CPU缓存中。
那cold cache有什么用呢？这个cache中的page frame一般用在DMA操作中。我们知道，DMA操作不涉及CPU，所以也就不涉及CPU缓存，因此用于DMA操作的page frame就没必要从hot cache中分配。从cold cache中为DMA分配page frame有助于保持hot cache中的页面还是hot的。
好了，让我们来看一看这个cache机制是如何实现的。
1. 数据结构
memory zone的描述符中，有这样一个成员变量
struct zone {
...
struct per_cpu_pageset pageset[NR_CPUS];
...
}这个就是为每个CPU准备的page frame cache。
struct per_cpu_pageset {
struct per_cpu_pages pcp[2]; /* 0: hot. 1: cold */
...
} ____cacheline_aligned_in_smp;可见每个CPU有两个cache: hot and cold。
struct per_cpu_pages {
int count; /* number of pages in the list */
int high; /* high watermark, emptying needed */
int batch; /* chunk size for buddy add/remove */
struct list_head list; /* the list of pages */
};每个cache的结构非常简单。Kernel提前从buddy system中分配好的单个页面放在list中，list里包含的页面个数保存在count中。
每次申请和释放单个页面时，Kernel都会check一下count值：在申请单个页面时，如果发现count的值为0，则会填充cache；在释放单个页面后，如果发现count的值大于等于high watermark，则会缩减cache。每次填充或缩减一个batch的量。
之前讲过了buddy system算法是如何分配和释放一个页块的。那么增加了per-cpu page frame cache之后，分配和释放页块时会有哪些不同呢？
2. 分配一个页块
分配一个页块是由函数buffered_rmqueue来完成的。它主要利用我们讲过的__rmqueue来从buddy system中申请内存页块，不过当申请单个页面时，它会利用per-cpu page frame cache。
static struct page *buffered_rmqueue(struct zonelist *zonelist,
struct zone *zone, int order, gfp_t gfp_flags)
{
unsigned long flags;
struct page *page;
int cold = !!(gfp_flags & __GFP_COLD);
int cpu;
int migratetype = allocflags_to_migratetype(gfp_flags);是使用hot cache还是cold cache是由__GFP_COLD位来决定的。 migratetype是buddy system用来减少外碎片的机制，暂且忽略。
如果申请的是单个页面，那么Kernel就会使用per-cpu page frame cache。当然在从cache中拿page frame之前，会check一下，如果cache已经空了，就需要先填充cache。
again:
cpu = get_cpu();
if (likely(order == 0)) {
struct per_cpu_pages *pcp;
pcp = &zone_pcp(zone, cpu)->pcp[cold];
local_irq_save(flags);
if (!pcp->count) {
pcp->count = rmqueue_bulk(zone, 0,
pcp->batch, &pcp->list, migratetype);
if (unlikely(!pcp->count))
goto failed;
}填充的工作由函数rmqueue_bulk来完成。这个函数非常简单，就是利用__rmqueue从buddy system中申请batch个单个页面放进cache中。
如果填充过后cache依旧为空，说明内存已经非常短缺，返回NULL。
page = list_entry(pcp->list.next, struct page, lru); list_del(&page->lru); pcp->count--;
如果cache不为空，则从cache中拿出一个page frame。
上面是针对申请单个页面的情况。如果申请多个页面，则利用__rmqueue从buddy system中申请。
} else {
spin_lock_irqsave(&zone->lock, flags);
page = __rmqueue(zone, order, migratetype);
spin_unlock(&zone->lock);
if (!page)
goto failed;
}
...
failed:
local_irq_restore(flags);
put_cpu();
return NULL;
}3. 释放一个页块
释放一个页块是由函数__free_pages来完成的。它主要利用我们讲过的__free_one_page来把内存页块放回到buddy system中，不过当释放单个页面时，它会把页面放回per-cpu page frame cache。
fastcall void __free_pages(struct page *page, unsigned int order)
{
if (put_page_testzero(page)) {
if (order == 0)
free_hot_page(page);
else
__free_pages_ok(page, order);
}
}与per-cpu page frame cache打交道的是函数free_hot_page。
void fastcall free_hot_page(struct page *page)
{
free_hot_cold_page(page, 0);
}/*
* Free a 0-order page
*/
static void fastcall free_hot_cold_page(struct page *page, int cold)
{
struct zone *zone = page_zone(page);
struct per_cpu_pages *pcp;
unsigned long flags;
...
pcp = &zone_pcp(zone, get_cpu())->pcp[cold];
local_irq_save(flags);
__count_vm_event(PGFREE);
list_add(&page->lru, &pcp->list);
set_page_private(page, get_pageblock_migratetype(page));
pcp->count++;
if (pcp->count >= pcp->high) {
free_pages_bulk(zone, pcp->batch, &pcp->list, 0);
pcp->count -= pcp->batch;
}
local_irq_restore(flags);
put_cpu();
}这个函数逻辑非常简单，把要释放的页面放到cache中。然后检查cache的大小。
如果cache的count值大于等于high watermark, 则利用函数free_pages_bulk来缩减cache。free_pages_bulk利用__free_one_page把batch个单个页面放回到buddy system中。
在操作per-cpu page frame cache时，有个小细节很有意思。在cache的list中拿出和放回一个page frame都是从链表的头部进行的，这样就形成了一个LIFO的stack。而free_pages_bulk缩减cache时，是从链表的尾部开始的，这个很像LRU的思想。这个小的细节可以尽量保证cache中page frame的hot。
《诗经》有云，“迨天之未阴雨，彻彼桑土，绸缪牖户。” 这里讲的per-cpu page frame cache，可以说是“未雨绸缪”的好例子。
本文出自 “内核部落格” 博客，请务必保留此出处http://richardguo.blog.51cto.com/9343720/1669125
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