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《趣谈linux操作系统》小结(十九) -物理内存管理

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物理内存管理

前面讲了内存页的分配机制，还有小块内存的分配机制。

小块内存分配

遇到小的对象，会使用 slub 分配器进行分配。

创建进程的时候，会调用 dup_task_struct，它想要试图复制一个 task_struct 对象，需要先调用 alloc_task_struct_node，分配一个 task_struct 对象。调用了 kmem_cache_alloc_node 函数，在 task_struct 的缓存区域 task_struct_cachep 分配了一块内存。

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struct kmem_cache // 缓存结构

缓存结构里面，包含了缓存的名称， 缓存对象的大小等信息。

对于缓存来讲，其实就是分配了连续几页的大内存块，然后根据缓存对象的大小，切成小内存块。slba缓存的信息可以通过查看/proc/slabinfo查看系统创建的所有slab缓存。

图片替换文本

有2个成员用来管理缓存，分别是kmem_cache_cpu 和 kmem_cache_node，它们都是每个 NUMA 节点上有一个，我们只需要看一个节点里面的情况。

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在分配缓存块的时候，要分两种路径，fast path 和 slow path，也就是快速通道和普通通道。其中 kmem_cache_cpu 就是快速通道，kmem_cache_node 是普通通道。每次分配的时候，要先从 kmem_cache_cpu 进行分配。如果 kmem_cache_cpu 里面没有空闲的块，那就到 kmem_cache_node 中进行分配；如果还是没有空闲的块，才去伙伴系统分配新的页。

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struct kmem_cache_cpu {
  void **freelist;  /* Pointer to next available object */
  unsigned long tid;  /* Globally unique transaction id */
  struct page *page;  /* The slab from which we are allocating */
#ifdef CONFIG_SLUB_CPU_PARTIAL
  struct page *partial;  /* Partially allocated frozen slabs */
#endif
......
};

在这里，page 指向大内存块的第一个页，缓存块就是从里面分配的。freelist 指向大内存块里面第一个空闲的项。按照上面说的，这一项会有指针指向下一个空闲的项，最终所有空闲的项会形成一个链表。partial 指向的也是大内存块的第一个页，之所以名字叫 partial（部分），就是因为它里面部分被分配出去了，部分是空的。这是一个备用列表，当 page 满了，就会从这里找。

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struct kmem_cache_node {
  spinlock_t list_lock;
......
#ifdef CONFIG_SLUB
  unsigned long nr_partial;
  struct list_head partial;
......
#endif
};

这里面也有一个 partial，是一个链表。这个链表里存放的是部分空闲的内存块。这是 kmem_cache_cpu 里面的 partial 的备用列表，如果那里没有，就到这里来找。

分配整个过程很冗长， 总的来说就是一级级的申请内存，如果申请不到 就到上一级申请，成功之后然后继续申请。

页面换出

由于物理内存大小有限，一段时间不被使用的页面会被暂时换出到磁盘，然后将空出的物理内存，交给活跃的进程去使用。

触发页面换出的时机

最常见的情况就是，分配内存的时候，发现没有地方了，就试图回收一下。

还有一种情况，就是作为内存管理系统应该主动去做的，而不能等真的出了事儿再做，这就是内核线程 kswapd。这个内核线程，在系统初始化的时候就被创建。这样它会进入一个无限循环，直到系统停止。在这个循环中，如果内存使用没有那么紧张，那它就可以放心睡大觉；如果内存紧张了，就需要去检查一下内存，看看是否需要换出一些内存页。

调用链是 balance_pgdat->kswapd_shrink_node->shrink_node，是以内存节点为单位的，最后也是调用 shrink_node。所有的页面都被挂在 LRU 列表中。LRU 是 Least Recent Use，也就是最近最少使用。也就是说，这个列表里面会按照活跃程度进行排序，这样就容易把不怎么用的内存页拿出来做处理。shrink_list 会先缩减活跃页面列表，再压缩不活跃的页面列表。对于不活跃列表的缩减，shrink_inactive_list 就需要对页面进行回收；对于匿名页来讲，需要分配 swap，将内存页写入文件系统；对于内存映射关联了文件的，我们需要将在内存中对于文件的修改写回到文件中。

通过配置cat /proc/sys/vm/swappiness 来确定swap的使用时机，该值默认值是60.
swappiness=0的时候表示最大限度使用物理内存，然后才是 swap空间，
swappiness＝100的时候表示积极的使用swap分区，并且把内存上的数据及时的搬运到swap空间里面。

行动，才不会被动!

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