Linux内存管理: 物理内存的释放(回收).为物理页面抬棺

前情提要:

地址转换
物理页面的分配

终于到了物理内存的释放. 内存页面如生命一般. 有生有死.
接下来我们就要为物理页面抬棺收尸了.

1.要点: 如何为兄弟抬棺回收?

分配时跟谁分开的, 回收时要跟他一起才能被释放 双生小鬼

2.代码分析

函数调用关系:
__free_pages_ok函数流程图

不是很清楚, 可私信要清楚的版本.如果我还存了的话

代码

static void __free_pages_ok (struct page *page, unsigned int order)
{unsigned long index, page_idx, mask, flags;free_area_t *area;struct page *base;zone_t *zone;if (PageLRU(page)) /*检测该page是否在page lists中如果在, 就删除*/lru_cache_del(page);if (page->buffers) // 如果page被用作磁盘块缓存时BUG();if (page->mapping) //如果page有指向的inodeBUG();/*检测 ((page - mem_map) < max_mapnr) 是否超过page管理单元总数page 是否在有效的 [mem_map,mem_mep+max_mapnr]范围内*/if (!VALID_PAGE(page))BUG();if (PageSwapCache(page))BUG();if (PageLocked(page))BUG();if (PageLRU(page))BUG();if (PageActive(page))BUG();/*释放page标志位, 进而释放该order页*/page->flags &= ~((1<<PG_referenced) | (1<<PG_dirty));/*current : 当前运行的进程current在i386上定义为static inline struct task_struct * get_current(void){struct task_struct *current;__asm__("andl %%esp,%0; ":"=r" (current) : "0" (~8191UL));return current;}#define current get_current()*/ if (current->flags & PF_FREE_PAGES)//若当前进程的标志位为每个进程物理页框释放goto local_freelist;
back_local_freelist:zone = page->zone; //指向该page属于的zonemask = (~0UL) << order; // mask = 页面指数order的掩码base = zone->zone_mem_map; // 该zone的所有4k页面的起始mem_map虚拟地址/**减运算page - base //(同类型结构体)表示从base到page 一共有多少个 sturct page 这样的结构体,即一共有多少个页,计算该page是第几个页, 即page在所有页中的页帧号       */page_idx = page - base; if (page_idx & ~mask) // 该page一定是(1<<order)字节对齐的BUG();//不是则报错index = page_idx >> (1 + order);// 使用buddy算法,求得该page对应的map管理位图值/** 加运算zone->free_area 所在地址加order个 free_area_t  结构体大小结构块之后的最终地址即free_area[order]*/area = zone->free_area + order; spin_lock_irqsave(&zone->lock, flags);//上锁zone->free_pages -= mask; // 将释放的空闲页数目, 加入到该zone的free_pages///*每次mask<<= 1 当mask = -512 此时while(0) 退出*/while (mask + (1 << (MAX_ORDER-1))) { //这里判断具体见示例程序struct page *buddy1, *buddy2;if (area >= zone->free_area + MAX_ORDER) //若area 越界,即free_area数组下标越界BUG();/*对 index进行异或运算, 返回0, 表示伙伴不在当前area内, 或者伙伴忙, 或者伙伴在其他area空闲着*/if (!__test_and_change_bit(index, area->map))/** the buddy page is still allocated.*/break;/*根据expend的分配规则寻找分配时跟哪个页框分开的,回收时就找它合并*/buddy1 = base + (page_idx ^ -mask); // 伙伴的page单元,通过^运算, 一下子找到伙伴的页帧号buddy2 = base + page_idx; //自己的page单元/*确保两个page单元都是合法的#define BAD_RANGE(zone,x) (((zone) != (x)->zone) ||  //非本page对应的zone(((x)-mem_map) < (zone)->zone_start_mapnr) ||  // 小于该zone管理的起始偏移(((x)-mem_map) >= (zone)->zone_start_mapnr+(zone)->size)) / 超过该zone->size 管理上限偏移*/if (BAD_RANGE(zone,buddy1)) BUG();if (BAD_RANGE(zone,buddy2))BUG();//list_delmemlist_del(&buddy1->list); // 伙伴 buddy1 从空闲链表删除mask <<= 1; // 去 order+1 执行上面同样的 buddy合并算法area++; // 下一个高位 areaindex >>= 1; // 计算位图管理位索引号page_idx &= mask; //更新page_idx,即更新为合并之后的page_idx}/*#define memlist_add_head list_add将经过Buddy合并后的页, 添加到相应area的free_list中*/memlist_add_head(&(base + page_idx)->list, &area->free_list);spin_unlock_irqrestore(&zone->lock, flags);//释放锁return;local_freelist:if (current->nr_local_pages)// 如果已经有local_pages, 将page释放到area->free_list中goto back_local_freelist; if (in_interrupt()) // 在中断中, 也需要将page释放到area->free_list中goto back_local_freelist;      //释放到 current->local_pages中list_add(&page->list, &current->local_pages);page->index = order; // 标记该page后面还有多少可用页面current->nr_local_pages++;// 当前进程持有的物理页帧递增
}

提示
函数中的while (mask + (1 << (MAX_ORDER-1)))可能会令人迷惑.我写了一个小demo.

#include<stdio.h>
#define MAX_ORDER 10
int main(){unsigned long mask= (~0UL) << 1 ;while( mask+(1<<(MAX_ORDER-1))) {mask<<=1;printf("unsigned mask = %lu\n",mask);printf("signed mask = %ld\n",mask);}return 0;
}

结果如下

自旋锁&信号量

自旋锁

--自旋锁自旋锁不会引起调用者睡眠,且自旋锁保持期间是抢占失效的
--自旋锁API1.spin_lock(lock)只有获得锁才返回, (获得不到锁,将自旋直到自旋锁的持有者释放)2.spin_unlock(lock)释放自旋锁3.spin_trylock(lock)尽力获得自旋锁lock.if 立即能获得锁获得锁并返回真else立即返回假4.spin_lock_irqsave(lock, flags)#define spin_lock_irqsave(lock, flags)        do { local_irq_save(flags);       spin_lock(lock); } while (0)获得自旋锁的同时也把标志寄存器的值保存到flags中并失效本地中断5.spin_unlock_irqrestore(lock, flags)#define spin_unlock_irqrestore(lock, flags) do { spin_unlock(lock);  local_irq_restore(flags); } while (0)释放自旋锁的同时也恢复标志寄存器的值为变量flags保存的值, 与spin_lock_irqsave配对使用

信号量

 --信号量会导致调用者睡眠,因此只在进程上下文使用,可被抢占适合于保持时间较长的情况

感想

现在,逻辑地址到物理地址的转换,物理内存分配与回收就算写完了.
希望我的经验可以帮到你.
页面转换不算难, 不过细节问题还是值得注意的.
比如说GDT, LDT放的位置,当然是专门的硬件了经典解决方案.
buddy系统的分析也是不少, 但是我还是要查好多资料.

虽然说我写的不算很详细, 但是应付学习一下操作系统课程的代码. 还算可以的. 下一篇会有一个简短的要点总结. 提分要素

参考

1、蒋静.操作系统原理·技术与编程.北京:机械工业出版社.2004
2、余华兵.Linux内核深度解析基于ARM64架构的Linux4.x内核.北京:人民邮电出版社.2019
3、河秦.王洪涛.Linux2.6内核标准教程.北京: 人民邮电出版社.2008
4、linux内核分析-内存管理
5、Linux_虚拟地址、线性地址和物理地址的转换
6、linux内核研究笔记4（do_wp_page参数
7、逆向映射的演进
8、页框的回收
9、The Buddy System Algorithm