直接内存回收中的等待队列

2024-02-16 23:18:10

在直接内存回收过程中，有可能会造成当前需要分配内存的进程被加入一个等待队列，当整个node的空闲页数量满足要求时，由kswapd唤醒它重新获取内存。这个等待队列头就是node结点描述符pgdat中的pfmemalloc_wait。如果当前进程加入到了pgdat->pfmemalloc_wait这个等待队列中，那么进程就不会进行直接内存回收，而是由kswapd唤醒后直接进行内存分配。

直接内存回收执行路径是：

__alloc_pages_slowpath() -> __alloc_pages_direct_reclaim() -> __perform_reclaim() -> try_to_free_pages() -> do_try_to_free_pages() -> shrink_zones() -> shrink_zone()

在__alloc_pages_slowpath()中可能唤醒了所有node的kswapd内核线程，也可能没有唤醒，每个node的kswapd是否在__alloc_pages_slowpath()中被唤醒有两个条件：

  1. 分配标志中没有__GFP_NO_KSWAPD，只有在透明大页的分配过程中会有这个标志。
  2. node中有至少一个zone的空闲页框没有达到 空闲页框数量 >= high阀值 + 1 << order + 保留内存，或者有至少一个zone需要进行内存压缩，这两种情况node的kswapd都会被唤醒。

而在kswapd中会对node中每一个不平衡的zone进行内存回收，直到所有zone都满足 zone分配页框后剩余的页框数量 > 此zone的high阀值 + 此zone保留的页框数量。kswapd就会停止内存回收，然后唤醒在等待队列的进程。

之后进程由于内存不足，对zonelist进行直接回收时，会调用到try_to_free_pages()，在这个函数内，决定了进程是否加入到node结点的pgdat->pfmemalloc_wait这个等待队列中，如下：

unsigned long try_to_free_pages(struct zonelist *zonelist, int order,
                gfp_t gfp_mask, nodemask_t *nodemask)
{
    unsigned long nr_reclaimed;
    struct scan_control sc = {
        /* 打算回收32个页框 */
        .nr_to_reclaim = SWAP_CLUSTER_MAX,
        .gfp_mask = (gfp_mask = memalloc_noio_flags(gfp_mask)),
        /* 本次内存分配的order值 */
        .order = order,
        /* 允许进行回收的node掩码 */
        .nodemask = nodemask,
        /* 优先级为默认的12 */
        .priority = DEF_PRIORITY,
        /* 与/proc/sys/vm/laptop_mode文件有关
         * laptop_mode为0，则允许进行回写操作，即使允许回写，直接内存回收也不能对脏文件页进行回写
         * 不过允许回写时，可以对非文件页进行回写
         */
        .may_writepage = !laptop_mode,
        /* 允许进行unmap操作 */
        .may_unmap = 1,
        /* 允许进行非文件页的操作 */
        .may_swap = 1,
    };

    /*
     * Do not enter reclaim if fatal signal was delivered while throttled.
     * 1 is returned so that the page allocator does not OOM kill at this
     * point.
     */
    /* 当zonelist中获取到的第一个node平衡，则返回，如果获取到的第一个node不平衡，则将当前进程加入到pgdat->pfmemalloc_wait这个等待队列中 
     * 这个等待队列会在kswapd进行内存回收时，如果让node平衡了，则会唤醒这个等待队列中的进程
     * 判断node平衡的标准:
     * 此node的ZONE_DMA和ZONE_NORMAL的总共空闲页框数量 是否大于 此node的ZONE_DMA和ZONE_NORMAL的平均min阀值数量，大于则说明node平衡
     * 加入pgdat->pfmemalloc_wait的情况
     * 1.如果分配标志禁止了文件系统操作，则将要进行内存回收的进程设置为TASK_INTERRUPTIBLE状态，然后加入到node的pgdat->pfmemalloc_wait，并且会设置超时时间为1s 
     * 2.如果分配标志没有禁止了文件系统操作，则将要进行内存回收的进程加入到node的pgdat->pfmemalloc_wait，并设置为TASK_KILLABLE状态，表示允许 TASK_UNINTERRUPTIBLE 响应致命信号的状态 
     * 返回真，表示此进程加入过pgdat->pfmemalloc_wait等待队列，并且已经被唤醒
     * 返回假，表示此进程没有加入过pgdat->pfmemalloc_wait等待队列
     */
    if (throttle_direct_reclaim(gfp_mask, zonelist, nodemask))
        return 1;

    trace_mm_vmscan_direct_reclaim_begin(order,
                sc.may_writepage,
                gfp_mask);

    /* 进行内存回收，有三种情况到这里 
     * 1.当前进程为内核线程
     * 2.最优node是平衡的，当前进程没有加入到pgdat->pfmemalloc_wait中
     * 3.当前进程接收到了kill信号
     */
    nr_reclaimed = do_try_to_free_pages(zonelist, &sc);

    trace_mm_vmscan_direct_reclaim_end(nr_reclaimed);

    return nr_reclaimed;
}

主要通过throttle_direct_reclaim()函数判断是否加入到pgdat->pfmemalloc_wait等待队列中，主要看此函数：

/* 当zonelist中第一个node平衡，则返回，如果node不平衡，则将当前进程加入到pgdat->pfmemalloc_wait这个等待队列中 
 * 这个等待队列会在kswapd进行内存回收时，如果让node平衡了，则会唤醒这个等待队列中的进程
 * 判断node平衡的标准:
 * 此node的ZONE_DMA和ZONE_NORMAL的总共空闲页框数量 是否大于 此node的ZONE_DMA和ZONE_NORMAL的平均min阀值数量，大于则说明node平衡
 * 加入pgdat->pfmemalloc_wait的情况
 * 1.如果分配标志禁止了文件系统操作，则将要进行内存回收的进程设置为TASK_INTERRUPTIBLE状态，然后加入到node的pgdat->pfmemalloc_wait，并且会设置超时时间为1s 
 * 2.如果分配标志没有禁止了文件系统操作，则将要进行内存回收的进程加入到node的pgdat->pfmemalloc_wait，并设置为TASK_KILLABLE状态，表示允许 TASK_UNINTERRUPTIBLE 响应致命信号的状态 
 */
static bool throttle_direct_reclaim(gfp_t gfp_mask, struct zonelist *zonelist,
                    nodemask_t *nodemask)
{
    struct zoneref *z;
    struct zone *zone;
    pg_data_t *pgdat = NULL;

    /* 如果标记了PF_KTHREAD，表示此进程是一个内核线程，则不会往下执行 */
    if (current->flags & PF_KTHREAD)
        goto out;

    /* 此进程已经接收到了kill信号，准备要被杀掉了 */
    if (fatal_signal_pending(current))
        goto out;

    /* 遍历zonelist，但是里面只会在获取到第一个pgdat时就跳出 */
    for_each_zone_zonelist_nodemask(zone, z, zonelist,
                    gfp_mask, nodemask) {

        /* 只遍历ZONE_NORMAL和ZONE_DMA区 */
        if (zone_idx(zone) > ZONE_NORMAL)
            continue;

        /* 获取zone对应的node */
        pgdat = zone->zone_pgdat;
        /* 判断node是否平衡，如果平衡，则返回真
         * 如果不平衡，如果此node的kswapd没有被唤醒，则唤醒，并且这里唤醒kswapd只会对ZONE_NORMAL以下的zone进行内存回收
         * node是否平衡的判断标准是:
         * 此node的ZONE_DMA和ZONE_NORMAL的总共空闲页框数量 是否大于 此node的ZONE_DMA和ZONE_NORMAL的平均min阀值数量，大于则说明node平衡
         */
        if (pfmemalloc_watermark_ok(pgdat))
            goto out;
        break;
    }

    if (!pgdat)
        goto out;

    count_vm_event(PGSCAN_DIRECT_THROTTLE);

    if (!(gfp_mask & __GFP_FS)) {
        /* 如果分配标志禁止了文件系统操作，则将要进行内存回收的进程设置为TASK_INTERRUPTIBLE状态，然后加入到node的pgdat->pfmemalloc_wait，并且会设置超时时间为1s 
         * 1.pfmemalloc_watermark_ok(pgdat)为真时被唤醒，而1s没超时，返回剩余timeout(jiffies)
         * 2.睡眠超过1s时会唤醒，而pfmemalloc_watermark_ok(pgdat)此时为真，返回1
         * 3.睡眠超过1s时会唤醒，而pfmemalloc_watermark_ok(pgdat)此时为假，返回0
         * 4.接收到信号被唤醒，返回-ERESTARTSYS
         */
        wait_event_interruptible_timeout(pgdat->pfmemalloc_wait,
            pfmemalloc_watermark_ok(pgdat), HZ);

        goto check_pending;
    }

    /* Throttle until kswapd wakes the process */
    /* 如果分配标志没有禁止了文件系统操作，则将要进行内存回收的进程加入到node的pgdat->pfmemalloc_wait，并设置为TASK_KILLABLE状态，表示允许 TASK_UNINTERRUPTIBLE 响应致命信号的状态 
     * 这些进程在两种情况下被唤醒
     * 1.pfmemalloc_watermark_ok(pgdat)为真时
     * 2.接收到致命信号时
     */
    wait_event_killable(zone->zone_pgdat->pfmemalloc_wait,
        pfmemalloc_watermark_ok(pgdat));

check_pending:
    /* 如果加入到了pgdat->pfmemalloc_wait后被唤醒，就会执行到这 */
    
    /* 唤醒后再次检查当前进程是否接受到了kill信号，准备退出 */
    if (fatal_signal_pending(current))
        return true;

out:
    return false;
}

　有四点需要注意：

  1. 当前进程已经接收到kill信号，则不会将其加入到pgdat->pfmemalloc_wait中。
  2. 只获取第一个node，也就是当前进程最希望从此node中分配到内存。
  3. 判断一个node是否平衡的条件是：此node的ZONE_NORMAL和ZONE_DMA两个区的空闲页框数量 > 此node的ZONE_NORMAL和ZONE_DMA两个区的平均min阀值。如果不平衡，则加入到pgdat->pfmemalloc_wait等待队列中，如果平衡，则直接返回，并由当前进程自己进行直接内存回收。
  4. 如果当前进程分配内存时使用的标志没有__GFP_FS，则加入pgdat->pfmemalloc_wait中会有一个超时限制，为1s。并且加入后的状态是TASK_INTERRUPTABLE。
    其他情况的进程加入到pgdat->pfmemalloc_wait中没有超时限制，并且状态是TASK_KILLABLE。
    　　

如果进程加入到了node的pgdat->pfmemalloc_wait等待队列中。在此node的kswapd进行内存回收后，会通过再次判断此node是否平衡来唤醒这些进程，如果node平衡，则唤醒这些进程，否则不唤醒。实际上，不唤醒也说明了node没有平衡，kswapd还是会继续进行内存回收，最后kswapd实在没办法让node达到平衡水平下，会在kswapd睡眠前，将这些进程全部进行唤醒。

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