13.分配页之选择页（zone_watermark_ok和get_page_from_freelist）

 

 

所有API函数都追溯到alloc_pages_node，从某种意义上说，该函数是伙伴系统主要实现的“发射台”。

<gfp.h>
static inline struct page *alloc_pages_node(int nid, gfp_t gfp_mask,unsigned int order)
{
　　if (unlikely(order >= MAX_ORDER))
　　　　return NULL;
　　/* 未知结点即当前结点 */
　　if(nid< 0)
　　　　nid = numa_node_id();
　　return __alloc_pages(gfp_mask, order,NODE_DATA(nid)->node_zonelists + gfp_zone(gfp_mask));
}

 

只执行了一个简单的检查，避免分配过大的内存块。如果指定负的结点ID（不存在），内核自动地使用当前执行CPU对应的结点ID。接下来的工作委托给__alloc_pages，只需传递一组适当的参数。请注意，gfp_zone用于选择分配内存的内存域。

 

 

1. 选择页

我们先把注意力转向页面选择是如何工作的。

 辅助函数

首先我们需要定义一些函数使用的标志，用于控制到达各个水印指定的临界状态时的行为。

 

mm/page_alloc.c

#define ALLOC_NO_WATERMARKS 0x01 /* 完全不检查水印 */
#define ALLOC_WMARK_MIN 0x02 /* 使用pages_min水印 */
#define ALLOC_WMARK_LOW 0x04 /* 使用pages_low水印 */
#define ALLOC_WMARK_HIGH 0x08 /* 使用pages_high水印 */
#define ALLOC_HARDER 0x10 /* 试图更努力地分配，即放宽限制 */
#define ALLOC_HIGH  0x20 /* 设置了__GFP_HIGH */
#define ALLOC_CPUSET 0x40 /* 检查内存结点是否对应着指定的CPU集合 */

 

 

前几个标志表示在判断页是否可分配时，需要考虑哪些水印。默认情况下（即没有因其他因素带来的压力而需要更多的内存），只有内存域包含页的数目至少为zone->pages_high时，才能分配页。这对应于ALLOC_WMARK_HIGH标志。如果要使用较低（zone->pages_low）或最低（zone->pages_min）设置，则必须相应地设置ALLOC_WMARK_MIN或ALLOC_WMARK_LOW。ALLOC_HARDER通知伙伴系统在急需内存时放宽分配规则。在分配高端内存域的内存时，ALLOC_HIGH进一步放宽限制。最后，ALLOC_CPUSET告知内核，内存只能从当前进程允许运行的CPU相关联的内存结点分配，当然该选项只对NUMA系统有意义。

设置的标志在zone_watermark_ok函数中检查，该函数根据设置的标志判断是否能从给定的内存域分配内存。

mm/page_alloc.c
int zone_watermark_ok(struct zone *z, int order, unsigned long mark,int classzone_idx, int alloc_flags)
{
　　/* free_pages可能变为负值，没有关系 */
　　long min = mark;
　　long free_pages = zone_page_state(z, NR_FREE_PAGES) -(1 << order) + 1;
　　int o;
　　if (alloc_flags & ALLOC_HIGH)
　　　　min -= min / 2;
　　if (alloc_flags & ALLOC_HARDER)
　　　　min -= min / 4;
　　if (free_pages <= min + z->lowmem_reserve[classzone_idx])
　　　　return 0;
　　for(o= 0;o <order;o++){
　　　　/* 在下一阶，当前阶的页是不可用的 */　　
　　　　free_pages -= z->free_area[o].nr_free << o;
　　　　/* 所需高阶空闲页的数目相对较少 */
　　　　min >>= 1;
　　　　if (free_pages <= min)
　　　　　　return 0;
　　}
　　return 1;
}

 

zone_per_state用来访问每个内存域的统计量。在上述代码中，得到的是空闲页的数目。

在解释了ALLOC_HIGH和ALLOC_HARDER标志之后（将最小值标记降低到当前值的一半或四分之一，使得分配过程努力或更加努力），该函数会检查空闲页的数目是否小于最小值与lowmem_reserve中指定的紧急分配值之和。如果不小于，则代码遍历所有小于当前阶的分配阶，从free_pages减去当前分配阶的所有空闲页（左移o位是必要的，因为nr_free记载的是当前分配阶的空闲页块数目）。同时，每升高一阶，所需空闲页的最小值折半。如果内核遍历所有的低端内存域之后，发现内存不足，则不进行内存分配。

 

理解:注意，nr_free记录的是当前分配阶的空闲页块数目，这里突出了一个块字，根据阶的不同，块的大小也就不同，而free_pages得到的是整个内存域空闲页的数目，故需要左移，如果当前阶内存块为空则向更高阶申请内存，所以减去的是比当前阶小的空闲内存页，得到的便是整个内存域大于等于该阶的内存页数目。

 

get_page_from_freelist是伙伴系统使用的另一个重要的辅助函数。它通过标志集和分配阶来判断是否能进行分配。如果可以，则发起实际的分配操作。

mm/page_alloc.c
static struct page *get_page_from_freelist(gfp_t gfp_mask, unsigned int order,struct zonelist *zonelist, int alloc_flags)
{
　　struct zone **z;
　　struct page *page = NULL;
　　int classzone_idx = zone_idx(zonelist->zones[0]);
　　struct zone *zone;
...
　　/*
　　* 扫描zonelist，寻找具有足够空闲空间的内存域。
　　* 请参阅kernel/cpuset.c中cpuset_zone_allowed()的注释。
　　*/
　　z = zonelist->zones;
　　do {
...
　　　　zone = *z;
　　　　if ((alloc_flags & ALLOC_CPUSET) &&!cpuset_zone_allowed_softwall(zone, gfp_mask))
　　　　　　continue;
　　　　if (!(alloc_flags & ALLOC_NO_WATERMARKS)) {
　　　　　　unsigned long mark;
　　　　　　if (alloc_flags & ALLOC_WMARK_MIN)
　　　　　　　　mark = zone->pages_min;
　　　　　　else if (alloc_flags & ALLOC_WMARK_LOW)
　　　　　　　　mark = zone->pages_low;
　　　　　　else
　　　　　　　　mark = zone->pages_high;
　　　　　　if (!zone_watermark_ok(zone, order, mark,classzone_idx, alloc_flags))
　　　　　　　　continue;
}
...

 

该函数的一个参数是指向备用列表的指针。在预期内存域没有空闲空间的情况下，该列表确定了扫描系统其他内存域（和结点）的顺序。该数据结构的布局和语义详见3.内存初始化整体大概流程（建立结点及内存域备用列表）

遍历备用列表的所有内存域，用最简单的方式查找一个适当的空闲内存块。首先，解释ALLOC_*标志（cpuset_zone_allowed_softwall是另一个辅助函数，用于检查给定内存域是否属于该进程允许运行的CPU）。zone_watermark_ok接下来检查所遍历到的内存域是否有足够的空闲页，并试图分配一个连续内存块。如果两个条件之一不能满足，即或者没有足够的空闲页，或者没有连续内存块可满足分配请求，则循环进行到备用列表中的下一个内存域，作同样的检查。

如果内存域适用于当前的分配请求，那么buffered_rmqueue试图从中分配所需数目的页：

mm/page_alloc.c
...
　　page = buffered_rmqueue(*z, order, gfp_mask);
　　　　if (page) {
　　　　　　zone_statistics(zonelist, *z);
　　　　　　break;
　　　　}
　　} while (*(++z) != NULL);
　　return page;
}

 

buffered_rmqueue详见未知,如果分配成功，则将页返回给调用者。否则，进入下一个循环，选择备用列表中的下一个内存域。