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2015年(26)

分类: LINUX

2015-08-28 21:07:39

    struct page是内存管理中第三个重要的数据结构,它代表系统内存的最小单位。
    其数据结构如下所示:

点击(此处)折叠或打开

  1. struct page {
  2.     /* First double word block */
  3.     unsigned long flags;        /* Atomic flags, some possibly
  4.                      * updated asynchronously */
  5.     struct address_space *mapping;    /* If low bit clear, points to
  6.                      * inode address_space, or NULL.
  7.                      * If page mapped as anonymous
  8.                      * memory, low bit is set, and
  9.                      * it points to anon_vma object:
  10.                      * see PAGE_MAPPING_ANON below.
  11.                      */
  12.     /* Second double word */
  13.     struct {
  14.         union {
  15.             pgoff_t index;        /* Our offset within mapping. */
  16.             void *freelist;        /* slub first free object */
  17.         };

  18.         union {
  19.             /* Used for cmpxchg_double in slub */
  20.             unsigned long counters;

  21.             struct {

  22.                 union {
  23.                     atomic_t _mapcount;

  24.                     struct {
  25.                         unsigned inuse:16;
  26.                         unsigned objects:15;
  27.                         unsigned frozen:1;
  28.                     };
  29.                 };
  30.                 atomic_t _count;        /* Usage count, see below. */
  31.             };
  32.         };
  33.     };

  34.     /* Third double word block */
  35.     union {
  36.         struct list_head lru;    /* Pageout list, eg. active_list
  37.                      * protected by zone->lru_lock !
  38.                      */
  39.         struct {        /* slub per cpu partial pages */
  40.             struct page *next;    /* Next partial slab */
  41. #ifdef CONFIG_64BIT
  42.             int pages;    /* Nr of partial slabs left */
  43.             int pobjects;    /* Approximate # of objects */
  44. #else
  45.             short int pages;
  46.             short int pobjects;
  47. #endif
  48.         };
  49.     };

  50.     /* Remainder is not double word aligned */
  51.     union {
  52.         unsigned long private;        /* Mapping-private opaque data:
  53.                           * usually used for buffer_heads
  54.                          * if PagePrivate set; used for
  55.                          * swp_entry_t if PageSwapCache;
  56.                          * indicates order in the buddy
  57.                          * system if PG_buddy is set.
  58.                          */
  59. #if USE_SPLIT_PTLOCKS
  60.         spinlock_t ptl;
  61. #endif
  62.         struct kmem_cache *slab;    /* SLUB: Pointer to slab */
  63.         struct page *first_page;    /* Compound tail pages */
  64.     };
  65. }
    因为内核会为每一个物理页帧创建一个struct page的结构体,因此要保证page结构体足够的小,否则仅struct page就要占用大量的内存。
    出于节省内存的考虑,struct page中使用了大量的联合体union。下面仅对常用的一些的字段做说明:
    1) flags:描述page的状态和其他信息,如图:
    
     主要分为4部分,其中标志位flag向高位增长,其余位字段向低位增长,中间存在空闲位。
     section:主要用于稀疏内存模型SPARSEMEM,可忽略。
     node:NUMA节点号,标识该page属于哪一个节点。
     zone:内存域标志,标识该page属于哪一个zone。
     flag:page的状态标识,常用的有:
        PG_locked:page被锁定,说明有使用者正在操作该page。
        PG_error:状态标志,表示涉及该page的IO操作发生了错误。
        PG_referenced:表示page刚刚被访问过。
        PG_active:page处于inactive LRU链表。PG_active和PG_referenced一起控制该page的活跃程度,这在内存回收时将会非常有用。
        PG_uptodate:表示page的数据已经与后备存储器是同步的,是最新的。
        PG_dirty:与后备存储器中的数据相比,该page的内容已经被修改。
        PG_lru:表示该page处于LRU链表上。
        PG_slab:该page属于slab分配器。
        PG_reserved:设置该标志,防止该page被交换到swap。
        PG_private:如果page中的private成员非空,则需要设置该标志。参考6)对private的解释。
        PG_writeback:page中的数据正在被回写到后备存储器。
        PG_swapcache:表示该page处于swap cache中。
        PG_mappedtodisk:表示page中的数据在后备存储器中有对应。
        PG_reclaim:表示该page要被回收。当PFRA决定要回收某个page后,需要设置该标志。
        PG_swapbacked:该page的后备存储器是swap。
        PG_unevictable:该page被锁住,不能交换,并会出现在LRU_UNEVICTABLE链表中,它包括的几种page:ramdisk或ramfs使用的页、
            shm_locked、mlock锁定的页。
        PG_mlocked:该page在vma中被锁定,一般是通过系统调用mlock()锁定了一段内存。

    内核中提供了一些标准宏,用来检查、操作某些特定的比特位,如:
        -> PageXXX(page):检查page是否设置了PG_XXX位
        -> SetPageXXX(page):设置page的PG_XXX位
        -> ClearPageXXX(page):清除page的PG_XXX位
        -> TestSetPageXXX(page):设置page的PG_XXX位,并返回原值
        -> TestClearPageXXX(page):清除page的PG_XXX位,并返回原值

    2) _count:引用计数,表示内核中引用该page的次数,如果要操作该page,引用计数会+1,操作完成-1。当该值为0时,表示没有引用该page的位置,所以该page可以被解除映射,这往往在内存回收时是有用的。

    3) _mapcount:被页表映射的次数,也就是说该page同时被多少个进程共享。初始值为-1,如果只被一个进程的页表映射了,该值为0 。如果该page处于伙伴系统中,该值为PAGE_BUDDY_MAPCOUNT_VALUE(-128),内核通过判断该值是否为PAGE_BUDDY_MAPCOUNT_VALUE来确定该page是否属于伙伴系统。
    注意区分_count和_mapcount,_mapcount表示的是映射次数,而_count表示的是使用次数;被映射了不一定在使用,但要使用必须先映射。

    4) mapping:有三种含义
        a: 如果mapping = 0,说明该page属于交换缓存(swap cache);当需要使用地址空间时会指定交换分区的地址空间swapper_space。
        b: 如果mapping != 0,bit[0] = 0,说明该page属于页缓存或文件映射,mapping指向文件的地址空间address_space。
        c: 如果mapping != 0,bit[0] != 0,说明该page为匿名映射,mapping指向struct anon_vma对象。
        通过mapping恢复anon_vma的方法:anon_vma = (struct anon_vma *)(mapping - PAGE_MAPPING_ANON)。

    5) index:在映射的虚拟空间(vma_area)内的偏移;一个文件可能只映射一部分,假设映射了1M的空间,index指的是在1M空间内的偏移,而不是在整个文件内的偏移。

    6) private:私有数据指针,由应用场景确定其具体的含义:
        a:如果设置了PG_private标志,表示buffer_heads;
        b:如果设置了PG_swapcache标志,private存储了该page在交换分区中对应的位置信息swp_entry_t。
        c:如果_mapcount = PAGE_BUDDY_MAPCOUNT_VALUE,说明该page位于伙伴系统,private存储该伙伴的阶。

    7) lru:链表头,主要有3个用途:
        a:page处于伙伴系统中时,用于链接相同阶的伙伴(只使用伙伴中的第一个page的lru即可达到目的)。
        b:page属于slab时,page->lru.next指向page驻留的的缓存的管理结构,page->lru.prec指向保存该page的slab的管理结构。
        c:page被用户态使用或被当做页缓存使用时,用于将该page连入zone中相应的lru链表,供内存回收时使用。

    以上就是对struct page的简单介绍,基于内核版本Linux-v3.2.40,如有任何错误欢迎指正。

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