Linux 内核中Demand paging 与swap机制的源码分析

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Linux 内核中Demand paging 与swap机制的源码分析

T-bagwell

Linux 内核中Demand paging 与swap 机制的源码分析
王森
msn: kernel_senix@163.com
1 Swap partition 与file-backed memory
首先对于每个文件，内核里都有一个struct address_space 结构来管理,他有两个作用
1 该文件所有被读进内存的页,都被加进struct address_space结构
2 该结构提供读写例程, 内核对该文件所有的读写都通过这些例程完成。这些例程向下跟文
件系统连接起来。
其次，所谓swap partition可以是个普通文件、也可是个设备文件，对其管理也是当成文件
来处理，自然就有对应的struct address_space：
struct address_space swapper_space。用户进程的stack/heap内存都会通过swapper_space写出
去。
所谓 file-backed memory 就是把一块连续的虚拟内存与文件映射起来，对虚拟内存的首次
访问会产生demand panging，内核分配物理内存，并把对应的文件内容读进物理内存，而这
些物理内存以page为单位放在文件的struct address_space里。
可见swap partition机制和file-backed memory 机制的区别仅仅在于换出目的不同。
另外 demand paging产生时会内核动作分为3 步
1）分配物理内存
2）将存放在swap partition或backed 在文件系统里的内容读入内存
3）修复页表项
2 Swap out 机制分析
linux 内核会管理所有的用户进程使用物理内存（包括上文提到的stack/heap 内存，和
file-backed memory），单位为page（4k），这些page 被按最近使用的频率的穿起来，如果内
存紧张了，就把很久没有用的page释放掉、或者swap out出去。而根据使用swap partition
机制还是file-backed memory 机制，产生不同的目的地。
/mm/vmscan.c
//在进入这个函数前，内核已经把需要swap out或者释放掉的页放在page_list里了
static unsigned long shrink_page_list(struct list_head *page_list,…)
{
...
//这个page_list就是一串很久没有被用到的页，逐个从这个page_list取出页，做以下操作：
//如果定义了系统支持swap partition下面这部分橙色代码会被编译进来,而对于android系统,
下边这部分灰底代码是无效的，内核swap partition和file-backed memory的区别仅仅就在
这里。这部分代码就是为依靠swap partition机制换出的匿名内存绑定目的地：swapper_space
#ifdef CONFIG_SWAP
if (PageAnon(page) && !PageSwapCache(page)) {
//这个page是匿名的(动态分配的stack/heap,没有对应的文件),并且没有和swap cache联系起
来，所谓swap cache，就是swap partition的swapper_space
if (!add_to_swap(page, GFP_ATOMIC))//将这个匿名页加入到swap cache
…
}
#endif /* CONFIG_SWAP */
…
mapping = page_mapping(page);//找到这个page对应的struct address_space
//依靠swap partition机制换出的目的地，在应用程序调用map（）时绑定，即为对应的file，
这里就是找到这个file的struct address_space
//对于依靠swap partition的内存，其换出目的地在灰底代码部分绑定，这里是也将其找出
来
…
if (PageDirty(page)) {//对应的page是被修改的,该条件成立
/* Page is dirty, try to write it out here */
pageout(page, mapping, sync_writeback)//把修改的页写出去
//mapping 就是换出目的地
//可见无论通过Swap partition还是file-backed memory做swap out 其本质都是一样的，不
同的//仅仅是swap out 的目的地不一样。一个是swap partition，一个是文件系统上的普通
文件。...
...
//如果这个page是clean的内存，简单释放即可
...
}
/*
* pageout is called by shrink_page_list() for each dirty page.
* Calls ->writepage().
*/
static pageout_t pageout(struct page *page, struct address_space *mapping,
enum pageout_io sync_writeback)
{
…
res = mapping->a_ops->writepage(page, &wbc);//writepage为文件系统提供例程，
…
}
3 demand paging和swap in 分析
demand paging的产生必定是对应页表项的解析出现异常，内核会转向对该页表异常的处理
handle_page_fault()->int handle_mm_fault()->
static inline int handle_pte_fault(struct mm_struct *mm,
struct vm_area_struct *vma, unsigned long address,
pte_t *pte, pmd_t *pmd, int write_access)
{
//对于每块建立起来的用户虚拟地址，内核有一个对应struct vm_area_struct *vma 来管理她
…
if (!pte_present(entry)) {
if (pte_none(entry)) {
if (vma->vm_ops) {
//对于file-backed memory 走到这里，因为这种内存使用前会建立起和文件系统的映射，所
以vma->vm_ops 不会为空，蓝色部分为相关代码
if (likely(vma->vm_ops->fault))
return do_linear_fault(mm, vma, address,
pte, pmd, write_access, entry);
}
//对于第一次demand paging的匿名memory 走到这里，红色部分为相关代码
return do_anonymous_page(mm, vma, address,
pte, pmd, write_access);
}
if (pte_file(entry))//这是对同一地址同时有多个映射，嵌入式系统不会用到
return do_nonlinear_fault(mm, vma, address,
pte, pmd, write_access, entry);
//对于swap出去的匿名memroy，绿色部分为相关代码
return do_swap_page(mm, vma, address,
pte, pmd, write_access, entry);
}
//COW 的处理，不用管它
if (write_access) {
if (!pte_write(entry))
return do_wp_page(mm, vma, address,
...
}
//对于file-backed memory 走到这里
static int do_linear_fault()-〉
static int __do_fault(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,
unsigned long address, pmd_t *pmd,
pgoff_t pgoff, unsigned int flags, pte_t orig_pte)
{
...
ret = vma->vm_ops->fault(vma, &vmf);//这里对应的就是被map的文件系统处理函数:
//在一个虚拟内存被映射到文件的时候，内核会建立struct vm_area_struct来管理这块虚拟内
存，
//而这块内存显然应该由对应的文件系统处理，这个处理函数就放在struct vm_area_struct结
构的vm_ops 里
//一般文件系统的处理例程如下：
//一般的文件系统都使用generic_file_vm_ops
//struct vm_operations_struct generic_file_vm_ops = {
// .fault = filemap_fault,
//};
...
}
int filemap_fault(struct vm_area_struct *vma, struct vm_fault *vmf)
{
...
page = find_lock_page(mapping, vmf->pgoff);//分配处物理内存,该页内存同时加入该文件的
struct address_space
...
error = mapping->a_ops->readpage(file, page);//启动文件读
...
}
//对于匿名页，如stack/heap的异常走到这里
static int do_anonymous_page(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,
unsigned long address, pte_t *page_table, pmd_t *pmd,
int write_access)
{
...
page = alloc_zeroed_user_highpage_movable(vma, address);//分配处物理内存
...
set_pte_at(mm, address, page_table, entry);//重置产生异常的页表项
}
//如果该页被swap 出去又被用户进程重新访问，与匿名页的区别在于这是交换出去的匿名
内存
static int do_swap_page(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,
unsigned long address, pte_t *page_table, pmd_t *pmd,
int write_access, pte_t orig_pte)
{
page = lookup_swap_cache(entry);//在上文提到的swapper_space尝试找到产生异常的页
if (!page) {//没有找到，说明这个匿名页被swap出去了
...
page = swapin_readahead(entry,GFP_HIGHUSER_MOVABLE, vma, address);//把对应
的页重新swap in近来
...
}
set_pte_at(mm, address, page_table, pte);////重置产生异常的页表项