linux26内核分析lru链表.docx
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linux26内核分析lru链表
linux2.6内核分析——LRU链表
LRU链表
本文转自
lru链表是统称，细分为：
活动链表、非活动链表。
链表中存放的是属于进程用户态地址空间或者页高速缓存的所有页。
前者是最近被访问过的页，后者是一段时间内未曾访问过的页，这样的好处是提高效率，减少搬运次数。
而lru也是页框回收算法的核心数据结构。
这两个双向链表是通过zone描述符结合入系统中，在zone中，有两个字段：
active_list,inactive_list.一个是活动链表的表头，一个是非活动链表的表头。
而同时，处于此两个链表中的页框标志位也需要相应设置：
PG_lru,PG_active.前者的标志表明页在活动或非活动页链表中，而后者是页在活动链表中。
当是属于非活动链表时，标志位要清。
而页描述符中的字段lru指向的是链表中的下一页。
如此，则形成了从zone管理区描述符中一个字段为起始点链接而成的lru链表。
而处理链表也有几个相应的函数：
staticinlinevoidadd_page_to_active_list（structzone*zone,structpage*page）
staticinlinevoidadd_page_to_inactive_list（structzone*zone,structpage*page）
staticinlinevoiddel_page_from_active_list（structzone*zone,structpage*page）
staticinlinevoiddel_page_from_inactive_list（structzone*zone,structpage*page）
staticinlinevoiddel_page_from_lru（structzone*zone,structpage*page）
voidfastcallactivate_page（structpage*page）
voidfastcalllru_cache_add（structpage*page）
voidfastcalllru_cache_add_active（structpage*page）
两个插入和删除链表的函数是很简单的，参数都是zone和page.使用的语句也是链表操作语句：
list_add，list_del所不同的是，其中的参数传递：
list_add（&page->lru,&zone->active_list）;
list_add（&page->lru,&zone->inactive_list）;
list_del（&page->lru）;
list_del（&page->lru）;
而加入完毕后，zone中表示页数目的字段也相应增加：
zone->nr_active++;
zone->nr_inactive++;
zone->nr_active--;
zone->nr_inactive--;
而del_page_from_lru也与前两个大同小异其中不同之处在于判断了页的PG_active标志位。
staticinlinevoiddel_page_from_lru（structzone*zone,structpage*page）
{
list_del（&page->lru）;
if（PageActive（page））{
ClearPageActive（page）;
zone->nr_active--;
}else{
zone->nr_inactive--;
}
}
而activate_page函数的目的就是将页从非活动链表中移动到活动链表，其中的if块就是这个作用，首先检查是不是lru链表中的，然后判断页是不是在非活动链表中。
如果在，就删除。
而删除的目的是为了移动到活动链表中，而在活动链表中的页的PG_active标志位需要置位，于是SetPageActive（page）;
voidfastcallactivate_page（structpage*page）
{
structzone*zone=page_zone（page）;
spin_lock_irq（&zone->lru_lock）;
if（PageLRU（page）&&!
PageActive（page））{
del_page_from_inactive_list（zone,page）;
SetPageActive（page）;
add_page_to_active_list（zone,page）;
inc_page_state（pgactivate）;
}
spin_unlock_irq（&zone->lru_lock）;
}
而之所以设计这个框架，目的就是为了便于PFRA移动页。
而这中有涉及到一个页标志的使用：
PG_referenced（刚被访问过的页）。
当非活动链表中的某一个页被访问时，那么并不是立刻移入活动链表，而是先检查这个标志位，如果这个标志置位为0则置位（为1），此页依然保留在非活动链表中。
当再次访问到此页时，检查此标识符，如果为1，那么移入活动链表。
如果两次访问时间间距超过了给定间隔，那么就要重新设置此标志位。
如果移动进入了活动链表，那么PG_active标志位也将被置位。
可以说，在移动移出这两个动作中，PG_referenced和PG_active两个标志位是配合使用的。
而涉及到这两个动作的关键函数有三个：
voidfastcallmark_page_accessed（structpage*page）
intpage_referenced（structpage*page,intis_locked,intignore_token）
staticvoidrefill_inactive_zone（structzone*zone,structscan_control*sc）
/*
*Markapageashavingseenactivity.
*
*inactive,unreferenced->inactive,referenced
*inactive,referenced->active,unreferenced
*active,unreferenced->active,referenced
*/
voidfastcallmark_page_accessed（structpage*page）
{
if（!
PageActive（page）&&PageReferenced（page）&&PageLRU（page））{
activate_page（page）;
ClearPageReferenced（page）;
}elseif（!
PageReferenced（page））{
SetPageReferenced（page）;
}
}
这个函数的作用就是必须把页标记为访问过时调用。
看函数的注释，三种状态之间的转化：
当非活动链表和未使用过时调用函数，变为非活动链表和使用过；当非活动链表和使用过时调用函数，变为活动链表和未使用过；当活动链表未使用过时调用函数，变为活动链表并使用过。
完成以上功能的就是函数的目的。
在函数体的if第一个判断中，首先是判断页是否在lru链表中，还要判断页的标志PG_referenced是否置位，还要判断页的PG_active标志是否置位。
如果此时页标志的组合是：
在lru链表中，并且在单位时间内使用过，并且未在活动链表中，则将此页调入活动链表，并且清除PG_referenced标志。
然后在下一个判断语句中，条件是页没有被刚刚使用过。
也就是PG_referenced标志位并没有置位为1.那么此时就要置未。
而函数page_referenced的作用就是扫描时，对部分标志位进行清零工作，比如PG_referenced.
回收函数的重点是refill_inactive_zone函数。
而函数中用到一个重要结构：
scan_control，这个结构也是被PFRA广泛使用，其中的各个字段存放着回首操作执行的各种信息，直接影响到系统的策略取舍。
structscan_control{
unsignedlongnr_to_scan;活动链表中待扫描的目标页数
unsignedlongnr_scanned;当前迭代中扫描过的非活动页数
unsignedlongnr_reclaimed;当前迭代中回收的页数
unsignedlongnr_mapped;用户态地址空间引用的页数
intnr_to_reclaim;待回收的目标页数
unsignedintpriority;扫描优先级范围从12到0，低优先级表示扫描更多的页
unsignedintgfp_mask;调用进程传来的GFP掩码
intmay_writepage;如果置位，则允许将脏页写到磁盘（只针对便携情形）
};
这个函数所从事的基本工作始终是循环判断标志，然后将页插入不同的链表。
前后需要四次循环。
在移动过程中的判断，需要一个临时的辅助链表LIST_HEAD（l_hold）;
第一次循环：
在这个循环判断语句中，intpgscanned=0;intnr_pages=sc->nr_to_scan（活动链表中待扫描的目标页数）;可见循环的第一个条件就是活动链表中的目标页的个数，下一个条件就是list_empty（&zone->active_list）或者链表为空时结束。
将扫描页加入到临时链表中list_add（&page->lru,&l_hold）;而如果标志为0，则一定是伙伴系统中的，所以要放回到活动链表中。
因为伙伴系统是准备分配大块内存区时使用，而并不是“零星”使用的。
while（pgscanned<nr_pages&&!
list_empty（&zone->active_list））{
page=lru_to_page（&zone->active_list）;
prefetchw_prev_lru_page（page,&zone->active_list,flags）;
list_del（&page->lru）;
if（get_page_testone（page））{
__put_page（page）;
SetPageLRU（page）;
list_add（&page->lru,&zone->active_list）;
}else{
list_add（&page->lru,&l_hold）;
pgmoved++;
}
pgscanned++;
}
在完成第一个循环体后，临时链表中已经有了页，而在活动链表中也已经摘除了部分页，这些是准备回收的页。
然后就是准备工作以及“计算交换值”。
zone->pages_scanned+=pgscanned;
zone->nr_active-=pgmoved;
distress=100>>zone->prev_priority;
mapped_ratio=（sc->nr_mapped*100）/total_memory;
swap_tendency=mapped_ratio/2+distress+vm_swappiness;
if（swap_tendency>=100）
reclaim_mapped=1;
交换倾向值是用来决定系统回收方式的。
它的目的是用来判断不同情况下，回收数量的多少。
也就是说，当回收的页框数量太多的时候，那么系统的效率就会受到很大的影响，也就是回收了过多的活动链表中的页。
而如果回收的数量太少，那么同样非活动链表中的准备引用页数量不足以弥补系统调用，那么效率也会受到影响，而如何保持均衡，就是通过这个数值来判断的。
而在结构sc_contrl中的字段priority，是对应zone中的prev_priority;后者是管理区优先级。
而另一种方式就是通过计算，也就是交换倾向数值。
lru链表中有两类页：
属于用户态地址空间的页、不属于任何用户态进程且在页高速缓存中的页。
而PFRA倾向与把用户态进程的页保留在ram中，从而压缩页高速缓存。
而这个数值的作用就是决定函数是移动所有的页，还是仅仅移动不属于用户态进程的页。
交换倾向值＝映射比率／2+负荷值＋交换值
其中映射比率由字段：
nr_mapped来表示，也就是占有可分配页框的比率。
如果这个数值大，那么系统中的大部分动态内存大部分用于用户态进程，反之则用于页高速缓存。
而负荷值是表示回收页框算法在管理区中回收页框的效率。
也就是字段：
prev_priority
交换值则为用户定义的常数，通常为60，在/proc/sys/vm/swappiness中可以修改数值。
当交换倾向数值大于100时，页将从进程地址空间回收。
当交换值被人为设置为0时，那么系统不会从用户态地址空间回收。
如果人为设置为100时，那么每次调用此函数都会从用户态地址空间回收。
以上就是这段程序的用途。
第二次循环：
则是通过上面的交换数值以及一些条件来判断是否加入活动链表，其余的一概加入非活动链表。
也就是从第一次循环中摘出的那些页的第二次再分配。
while（!
list_empty（&l_hold））{
cond_resched（）;
page=lru_to_page（&l_hold）;
list_del（&page->lru）;
if（page_mapped（page））{
if（!
reclaim_mapped||（total_swap_pages==0&&PageAnon（page））||page_referenced（page,0,sc->priority<=0））{
list_add（&page->lru,&l_active）;
continue;
}
}
list_add（&page->lru,&l_inactive）;
}
第三次循环：
将页移入到管理区非活动链表中。
while（!
list_empty（&l_inactive））{
page=lru_to_page（&l_inactive）;
prefetchw_prev_lru_page（page,&l_inactive,flags）;
list_move（&page->lru,&zone->inactive_list）;
pgmoved++;
if（!
pagevec_add（&pvec,page））{
zone->nr_inactive+=pgmoved;
spin_unlock_irq（&zone->lru_lock）;
pgdeactivate+=pgmoved;
pgmoved=0;
if（buffer_heads_over_limit）
pagevec_strip（&pvec）;
__pagevec_release（&pvec）;
spin_lock_irq（&zone->lru_lock）;
}
}
第四次循环，将页移入到管理区的活动链表中。
while（!
list_empty（&l_active））{
page=lru_to_page（&l_active）;
prefetchw_prev_lru_page（page,&l_active,flags）;
if（TestSetPageLRU（page））
BUG（）;
BUG_ON（!
PageActive（page））;
list_move（&page->lru,&zone->active_list）;
pgmoved++;
if（!
pagevec_add（&pvec,page））{
zone->nr_active+=pgmoved;
pgmoved=0;
spin_unlock_irq（&zone->lru_lock）;
__pagevec_release（&pvec）;
spin_lock_irq（&zone->lru_lock）;
}
}
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