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。 }