内存管理（二）struct page

10340阅读　0评论2015-08-28　夕阳下的孤影
分类：LINUX

    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：

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  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.         };

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

  23.             struct {

  25.                 union {
  26.                     atomic_t _mapcount;

  28.                     struct {
  29.                         unsigned inuse:16;
  30.                         unsigned objects:15;
  31.                         unsigned frozen:1;
  32.                     };
  33.                 };
  34.                 atomic_t _count;        /* Usage count, see below. */
  35.             };
  36.         };
  37.     };

  39.     /* Third double word block */
  40.     union {
  41.         struct list_head lru;    /* Pageout list, eg. active_list
  42.                      * protected by zone->lru_lock !
  43.                      */
  44.         struct {        /* slub per cpu partial pages */
  45.             struct page *next;    /* Next partial slab */
  46. #ifdef CONFIG_64BIT
  47.             int pages;    /* Nr of partial slabs left */
  48.             int pobjects;    /* Approximate # of objects */
  49. #else
  50.             short int pages;
  51.             short int pobjects;
  52. #endif
  53.         };
  54.     };

  56.     /* Remainder is not double word aligned */
  57.     union {
  58.         unsigned long private;        /* Mapping-private opaque data:
  59.                           * usually used for buffer_heads
  60.                          * if PagePrivate set; used for
  61.                          * swp_entry_t if PageSwapCache;
  62.                          * indicates order in the buddy
  63.                          * system if PG_buddy is set.
  64.                          */
  65. #if USE_SPLIT_PTLOCKS
  66.         spinlock_t ptl;
  67. #endif
  68.         struct kmem_cache *slab;    /* SLUB: Pointer to slab */
  69.         struct page *first_page;    /* Compound tail pages */
  70.     };
  71. }
    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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