Zoned Allocator -5- (Per-CPU Page Frame Cache)

<kernel v5.0>

Per-CPU Page Frame Cache

  • 커널에서 메모리 할당은 주로 큰 페이지보다 single 페이지(0-order page) 프레임을 요청하는 경우가 대부분이다.
  • single 페이지 요청인 경우에만 할당 처리 성능을 높이기 위해 각각의 zone에 per-cpu page frame cache를 준비하고 미리 여러 개의 페이지를 준비한 후 요청한 single 페이지에 대해 buddy를 사용하지 않고 곧바로 캐시된 페이지를 요청자에게 전달한다.
    • 버디를 사용할 경우에는 존에 대한 락이 필요한데, per-cpu를 사용하여 lock-less로 구현하여 성능을 올렸다.
  • 기존 커널에서 각 zone에는 hot 캐시와 cold 캐시를  사용해왔었는데 그 용도가 하나로 통합되었고 hot 요청인 경우 준비된 캐시 페이지 중 앞쪽을 사용하게 하고 cold 요청인 경우 뒷 쪽 페이지를 사용하게 한다.
  • 커널 2.6.25-rc1 이후 부터 각 zone 마다 3개의 migratetype 수 만큼 캐시 배열로 관리한다.
  • 커널 모니터가 캐시 페이지가 low 워터마크 수 이하로 떨어지는 것을 커널 모니터가 detect하면 미리 batch 수 만큼 페이지를 캐시에 할당해 놓는다.
  • single 페이지 요청 시 캐시된 페이지가 없는 경우에는 batch 수 만큼 페이지를 캐시에 할당 받은 후 그 중 한 페이지를 요청자에게 전달한다.
  • single 페이지 해제 시 캐시된 페이지가 high 이상인 경우 batch 수 만큼 버디 시스템에 되돌린다.

 


pcp에서 order 0 페이지 할당/해제

order 0 페이지 할당

rmqueue_pcplist()

mm/page_alloc.c

/* Lock and remove page from the per-cpu list */
static struct page *rmqueue_pcplist(struct zone *preferred_zone,
                        struct zone *zone, unsigned int order,
                        gfp_t gfp_flags, int migratetype,
                        unsigned int alloc_flags)
{
        struct per_cpu_pages *pcp;
        struct list_head *list;
        struct page *page;
        unsigned long flags;

        local_irq_save(flags);
        pcp = &this_cpu_ptr(zone->pageset)->pcp;
        list = &pcp->lists[migratetype];
        page = __rmqueue_pcplist(zone,  migratetype, alloc_flags, pcp, list);
        if (page) {
                __count_zid_vm_events(PGALLOC, page_zonenum(page), 1 << order);
                zone_statistics(preferred_zone, zone);
        }
        local_irq_restore(flags);
        return page;
}

@migratetype의 order 0 페이지를 pcp에서 할당하고 페이지 디스크립터를 반환한다.

  • 코드 라인 12~15에서 per-cpu로 구현된 버디 시스템 캐시인 pcp는 cost가 많이 소모되는 lock을 사용하지 않고 로컬 인터럽트만 disable한 상태로 @migratetype의 order 0 페이지를 pcp에서 할당한다.
  • 코드 라인 16~19에서 PGALLOC 카운터를 페이지 수 만큼 증가시킨다.
  • 코드 라인 21에서 할당한 페이지를 반환한다.

 

__rmqueue_pcplist()

mm/page_alloc.c

/* Remove page from the per-cpu list, caller must protect the list */
static struct page *__rmqueue_pcplist(struct zone *zone, int migratetype,
                        unsigned int alloc_flags,
                        struct per_cpu_pages *pcp,
                        struct list_head *list)
{
        struct page *page;

        do {
                if (list_empty(list)) {
                        pcp->count += rmqueue_bulk(zone, 0,
                                        pcp->batch, list,
                                        migratetype, alloc_flags);
                        if (unlikely(list_empty(list)))
                                return NULL;
                }

                page = list_first_entry(list, struct page, lru);
                list_del(&page->lru);
                pcp->count--;
        } while (check_new_pcp(page));

        return page;
}

@migratetype의 order 0 페이지를 pcp로부터 할당하고 페이지 디스크립터를 반환한다.

  • 코드 라인 9~16에서 pcp의 @list가 비어있는 경우 버디 시스템에서 pcp->batch 수 만큼 이주시킨다.
  • 코드 라인 18~20에서 pcp의 @list에서 첫 엔트리를 가져온다.
  • 코드 라인 21에서 할당할 엔트리에 문제가 없는지 체크한다.
  • 코드 라인 23에서 할당할 order 0 페이지를 반환한다.

 

order 0 페이지 회수

free_unref_page()

mm/page_alloc.c

/*
 * Free a 0-order page
 */
void free_unref_page(struct page *page)
{
        unsigned long flags;
        unsigned long pfn = page_to_pfn(page);

        if (!free_unref_page_prepare(page, pfn))
                return;

        local_irq_save(flags);
        free_unref_page_commit(page, pfn);
        local_irq_restore(flags);
}

order 0 페이지를 pcp에 회수한다.

  • 코드 라인 6~7에서 free할 페이지를 준비한다. 만일 페이지 상태가 bad 판정된 경우 함수를 빠져나간다.
  • 코드 라인 9~11에서 로컬 irq를 disable한 상태로 order 0 페이지를 pcp에 회수한다.

 

free_unref_page_prepare()

mm/page_alloc.c

static bool free_unref_page_prepare(struct page *page, unsigned long pfn)
{
        int migratetype;

        if (!free_pcp_prepare(page))
                return false;

        migratetype = get_pfnblock_migratetype(page, pfn);
        set_pcppage_migratetype(page, migratetype);
        return true;
}

free할 페이지를 준비한다. (정상=true, bad=false)

  • 코드 라인 5~6에서 free할 페이지의 상태를 체크하여 bad 판정된 경우 false 결과를 반환한다.
  • 코드 라인 8~10에서 페이지가 속한 페이지 블럭의 migrate 타입을 페이지에 저장하고 true를 반환한다.

 

free_unref_page_commit()

mm/page_alloc.c

static void free_unref_page_commit(struct page *page, unsigned long pfn)
{
        struct zone *zone = page_zone(page);
        struct per_cpu_pages *pcp;
        int migratetype;

        migratetype = get_pcppage_migratetype(page);
        __count_vm_event(PGFREE);

        /*
         * We only track unmovable, reclaimable and movable on pcp lists.
         * Free ISOLATE pages back to the allocator because they are being
         * offlined but treat HIGHATOMIC as movable pages so we can get those
         * areas back if necessary. Otherwise, we may have to free
         * excessively into the page allocator
         */
        if (migratetype >= MIGRATE_PCPTYPES) {
                if (unlikely(is_migrate_isolate(migratetype))) {
                        free_one_page(zone, page, pfn, 0, migratetype);
                        return;
                }
                migratetype = MIGRATE_MOVABLE;
        }

        pcp = &this_cpu_ptr(zone->pageset)->pcp;
        list_add(&page->lru, &pcp->lists[migratetype]);
        pcp->count++;
        if (pcp->count >= pcp->high) {
                unsigned long batch = READ_ONCE(pcp->batch);
                free_pcppages_bulk(zone, batch, pcp);
        }
}

free할 0-order 페이지를 pcp로 회수한다.

  • 코드 라인 8에서 PGFREE 카운터를 증가시킨다.
  • 코드 라인 17~23에서 isolate 타입은 버디 시스템에 회수시키고, pcp에서 취급하지 않는 나머지 cma와 highatomic 타입은 movable 타입으로 변경한다.
  • 코드 라인 25~27에서 migrate 타입의 pcp에 추가한다.
  • 코드 라인 28~31에서 pcp 리스트의 엔트리 수가 pcp->high 이상인 경우이다. pcp에 일정 분량만을 관리하기 위해 pcp->batch 수 만큼 버디 시스템으로 이동시킨다.

 

get_pcppage_migratetype()

include/linux/mm.h

/*
 * A cached value of the page's pageblock's migratetype, used when the page is
 * put on a pcplist. Used to avoid the pageblock migratetype lookup when
 * freeing from pcplists in most cases, at the cost of possibly becoming stale.
 * Also the migratetype set in the page does not necessarily match the pcplist
 * index, e.g. page might have MIGRATE_CMA set but be on a pcplist with any
 * other index - this ensures that it will be put on the correct CMA freelist.
 */
static inline int get_pcppage_migratetype(struct page *page)
{
        return page->index;
}

page->index에 저장된 migratetype을 알아온다.

 


pcp <-> 버디시스템 벌크 할당/회수

pcp <- 버디시스템 벌크 할당

rmqueue_bulk()

mm/page_alloc.c

/*
 * Obtain a specified number of elements from the buddy allocator, all under
 * a single hold of the lock, for efficiency.  Add them to the supplied list.
 * Returns the number of new pages which were placed at *list.
 */
static int rmqueue_bulk(struct zone *zone, unsigned int order,
                        unsigned long count, struct list_head *list,
                        int migratetype, unsigned int alloc_flags)
{
        int i, alloced = 0;

        spin_lock(&zone->lock);
        for (i = 0; i < count; ++i) {
                struct page *page = __rmqueue(zone, order, migratetype,
                                                                alloc_flags);
                if (unlikely(page == NULL))
                        break;

                if (unlikely(check_pcp_refill(page)))
                        continue;

                /*
                 * Split buddy pages returned by expand() are received here in
                 * physical page order. The page is added to the tail of
                 * caller's list. From the callers perspective, the linked list
                 * is ordered by page number under some conditions. This is
                 * useful for IO devices that can forward direction from the
                 * head, thus also in the physical page order. This is useful
                 * for IO devices that can merge IO requests if the physical
                 * pages are ordered properly.
                 */
                list_add_tail(&page->lru, list);
                alloced++;
                if (is_migrate_cma(get_pcppage_migratetype(page)))
                        __mod_zone_page_state(zone, NR_FREE_CMA_PAGES,
                                              -(1 << order));
        }

        /*
         * i pages were removed from the buddy list even if some leak due
         * to check_pcp_refill failing so adjust NR_FREE_PAGES based
         * on i. Do not confuse with 'alloced' which is the number of
         * pages added to the pcp list.
         */
        __mod_zone_page_state(zone, NR_FREE_PAGES, -(i << order));
        spin_unlock(&zone->lock);
        return alloced;
}

버디 시스템의 @order slot에서 @count 만큼 free 페이지를 가져와서 @list에 이동시킨다. 그런 후 실제 이동시킨 수를 반환한다.

  • 코드 라인 8~15에서 count 수 만큼 루프를 돌며 버디 시스템으로 부터 @order 페이지를 가져온다.
  • 코드 라인 27~28에서 가져온 페이지를 @list에 추가한다.
  • 코드 라인 29~31에서 cma 페이지인 경우 NR_FREE_CMA_PAGES 카운터를 페이지 수 만큼 감소시킨다.
  • 코드 라인 40에서 NR_FREE_PAGES를 루프를 돌며 이동시킨 페이지 수 만큼 감소시킨다.
  • 코드 라인 42에서 이동시킨 수를 반환한다.

 

다음 그림은 버디시스템에 있는 free 페이지들이 batch 수 만큼 pcp로 벌크 이동하는 모습을 보여준다.

 

pcp -> 버디시스템 벌크 회수

free_pcppages_bulk()

/*
 * Frees a number of pages from the PCP lists
 * Assumes all pages on list are in same zone, and of same order.
 * count is the number of pages to free.
 *
 * If the zone was previously in an "all pages pinned" state then look to
 * see if this freeing clears that state.
 *
 * And clear the zone's pages_scanned counter, to hold off the "all pages are
 * pinned" detection logic.
 */
static void free_pcppages_bulk(struct zone *zone, int count,
                                        struct per_cpu_pages *pcp)
{
        int migratetype = 0;
        int batch_free = 0;
        int prefetch_nr = 0;
        bool isolated_pageblocks;
        struct page *page, *tmp;
        LIST_HEAD(head);

        while (count) {
                struct list_head *list;

                /*
                 * Remove pages from lists in a round-robin fashion. A
                 * batch_free count is maintained that is incremented when an
                 * empty list is encountered.  This is so more pages are freed
                 * off fuller lists instead of spinning excessively around empty
                 * lists
                 */
                do {
                        batch_free++;
                        if (++migratetype == MIGRATE_PCPTYPES)
                                migratetype = 0;
                        list = &pcp->lists[migratetype];
                } while (list_empty(list));

                /* This is the only non-empty list. Free them all. */
                if (batch_free == MIGRATE_PCPTYPES)
                        batch_free = count;

                do {
                        page = list_last_entry(list, struct page, lru);
                        /* must delete to avoid corrupting pcp list */
                        list_del(&page->lru);
                        pcp->count--;

                        if (bulkfree_pcp_prepare(page))
                                continue;

                        list_add_tail(&page->lru, &head);

                        /*
                         * We are going to put the page back to the global
                         * pool, prefetch its buddy to speed up later access
                         * under zone->lock. It is believed the overhead of
                         * an additional test and calculating buddy_pfn here
                         * can be offset by reduced memory latency later. To
                         * avoid excessive prefetching due to large count, only
                         * prefetch buddy for the first pcp->batch nr of pages.
                         */
                        if (prefetch_nr++ < pcp->batch)
                                prefetch_buddy(page);
                } while (--count && --batch_free && !list_empty(list));
        }

        spin_lock(&zone->lock);
        isolated_pageblocks = has_isolate_pageblock(zone);

        /*
         * Use safe version since after __free_one_page(),
         * page->lru.next will not point to original list.
         */
        list_for_each_entry_safe(page, tmp, &head, lru) {
                int mt = get_pcppage_migratetype(page);
                /* MIGRATE_ISOLATE page should not go to pcplists */
                VM_BUG_ON_PAGE(is_migrate_isolate(mt), page);
                /* Pageblock could have been isolated meanwhile */
                if (unlikely(isolated_pageblocks))
                        mt = get_pageblock_migratetype(page);

                __free_one_page(page, page_to_pfn(page), zone, 0, mt);
                trace_mm_page_pcpu_drain(page, 0, mt);
        }
        spin_unlock(&zone->lock);
}

요청 zone의 pcp를 @count 만큼 버디시스템으로 회수한다.

  • 코드 라인 11에서 @count 수 만큼 순회한다.
  • 코드 라인 21~30에서 3가지 migrate 타입의 pcp 리스트를 순회하도록 migratetype을 정한다. 단 빈 pcp 리스트는 skip 한다.
    • 처음 시작 시 movable(1), reclaimable(2), unmovable(0) migrate 타입으로 진행한다.
    • batch_free 수 만큼씩 로드밸런싱하는데, 리스트가 비게 되면 너무 spin 되는 것을 억제하게 하기 위해 batch_free를 추가 증가시킨다.
      • empty된 리스트 없이, 세 리스트에서 작업 시 1개씩 돌아가며 처리한다.
      • 한 리스트가 empty 되고, 남은 두 리스트에서 작업 시 2개씩 처리한다.
      • 두 리스트가 empty 되고, 마지막 리스트만 남게되면 한꺼번에 처리하기 위해 @count를 대입한다.
  • 코드 라인 32~41에서 지정된 migratetype의 pcp 리스트에서 tail 방향 엔트리를 가져와서 임시 리스트의 head 방향에 추가한다.
  • 코드 라인 52~53에서 pcp->batch 까지는 페이지에 대한 buddy 페이지를 prefetch 한다.이렇게 하면 버디 시스템에서 조금 더 빠른 성능으로 처리하기 위함이다.
  • 코드 라인 54에서 한 개의 pcp 리스트에서 batch_free 수 만큼만 반복처리한다. 단 empty 되거나, @count가 0이되어 모두 처리한 경우 완료된다.
  • 코드 라인 64~74에서 임시 리스트를 순회하며 해당 페이지가 속한 migrate 타입을 사용하여 버디 시스템의 해당 migrate 타입을 사용한 리스트로 회수시킨다. 단 회수 시킬 때 존에 isolate 타입 페이지가 존재하는 경우 페이지가 속한 페이지블럭의 migrate 타입을 사용한다.

 

아래 그림은 pcp가 overflow되어 batch 수 만큼 buddy로 이주하는 과정과 순서를 보여준다.

  • free_list[0] 슬롯으로 페이지가 이주될 때 free_list[0]에 buddy 페이지가 존재하는 경우 buddy 페이지를 제거하고 다음 order인 free_list[1]으로 합쳐서 추가한다. 동일하게 free_list[1]에서도 buddy 페이지가 발견되면 다음 order로 통합하면서 buddy 페이지가 발견되지 않을 때까지 통합한다.

 

다음 그림은 pcp에서 버디로 옮겨지는 페이지의 순서를 보여준다.

 

다음과 같이 zone별 pagesets에 대한 카운터 정보를 확인할 수 있다.

pi@pi /proc $ cat zoneinfo
Node 0, zone   Normal
  pages free     190861
        min      2048
        low      2560
        high     3072
        scanned  0
        spanned  241664
        present  241664
        managed  233403
    nr_free_pages 190861
(...생략...)
    nr_free_cma  935
        protection: (0, 0)
  pagesets
    cpu: 0
              count: 50
              high:  186
              batch: 31
  vm stats threshold: 24
    cpu: 1
              count: 106
              high:  186
              batch: 31
  vm stats threshold: 24
    cpu: 2
              count: 153
              high:  186
              batch: 31
  vm stats threshold: 24
    cpu: 3
              count: 156
              high:  186
              batch: 31
  vm stats threshold: 24
  all_unreclaimable: 0
  start_pfn:         0
  inactive_ratio:    1

 


PCP(Per-Cpu Page frame cache) Drain

drain_all_pages()

/*
 * Spill all the per-cpu pages from all CPUs back into the buddy allocator.
 *
 * When zone parameter is non-NULL, spill just the single zone's pages.
 *
 * Note that this can be extremely slow as the draining happens in a workqueue.
 */
void drain_all_pages(struct zone *zone)
{
        int cpu;

        /*
         * Allocate in the BSS so we wont require allocation in
         * direct reclaim path for CONFIG_CPUMASK_OFFSTACK=y
         */
        static cpumask_t cpus_with_pcps;

        /*
         * Make sure nobody triggers this path before mm_percpu_wq is fully
         * initialized.
         */
        if (WARN_ON_ONCE(!mm_percpu_wq))
                return;

        /*
         * Do not drain if one is already in progress unless it's specific to
         * a zone. Such callers are primarily CMA and memory hotplug and need
         * the drain to be complete when the call returns.
         */
        if (unlikely(!mutex_trylock(&pcpu_drain_mutex))) {
                if (!zone)
                        return;
                mutex_lock(&pcpu_drain_mutex);
        }

        /*
         * We don't care about racing with CPU hotplug event
         * as offline notification will cause the notified
         * cpu to drain that CPU pcps and on_each_cpu_mask
         * disables preemption as part of its processing
         */
        for_each_online_cpu(cpu) {
                struct per_cpu_pageset *pcp;
                struct zone *z;
                bool has_pcps = false;

                if (zone) {
                        pcp = per_cpu_ptr(zone->pageset, cpu);
                        if (pcp->pcp.count)
                                has_pcps = true;
                } else {
                        for_each_populated_zone(z) {
                                pcp = per_cpu_ptr(z->pageset, cpu);
                                if (pcp->pcp.count) {
                                        has_pcps = true;
                                        break;
                                }
                        }
                }

                if (has_pcps)
                        cpumask_set_cpu(cpu, &cpus_with_pcps);
                else
                        cpumask_clear_cpu(cpu, &cpus_with_pcps);
        }

        for_each_cpu(cpu, &cpus_with_pcps) {
                struct pcpu_drain *drain = per_cpu_ptr(&pcpu_drain, cpu);

                drain->zone = zone;
                INIT_WORK(&drain->work, drain_local_pages_wq);
                queue_work_on(cpu, mm_percpu_wq, &drain->work);
        }
        for_each_cpu(cpu, &cpus_with_pcps)
                flush_work(&per_cpu_ptr(&pcpu_drain, cpu)->work);

        mutex_unlock(&pcpu_drain_mutex);
}

지정된 zone의 모든 online cpu에 있는 Per-CPU Page Frame Cache를 버디 메모리 할당자로 옮긴다. zone을 지정하지 않은 경우는 모든 populated zone에 대해 수행한다.

 

drain_local_pages()

mm/page_alloc.c

/*
 * Spill all of this CPU's per-cpu pages back into the buddy allocator.
 *
 * The CPU has to be pinned. When zone parameter is non-NULL, spill just
 * the single zone's pages.
 */
void drain_local_pages(struct zone *zone)
{
        int cpu = smp_processor_id();

        if (zone)
                drain_pages_zone(cpu, zone);
        else
                drain_pages(cpu);
}

 

drain_pages()

mm/page_alloc.c

/*
 * Drain pcplists of all zones on the indicated processor.
 *
 * The processor must either be the current processor and the
 * thread pinned to the current processor or a processor that
 * is not online.
 */
static void drain_pages(unsigned int cpu)
{
        struct zone *zone;

        for_each_populated_zone(zone) {
                drain_pages_zone(cpu, zone);
        }
}

활성화된 zone 모두에 대해 Per-Cpu Page Fram Cache를 비운다.

 

drain_pages_zone()

mm/page_alloc.c

/*
 * Drain pcplists of the indicated processor and zone.
 *
 * The processor must either be the current processor and the
 * thread pinned to the current processor or a processor that
 * is not online.
 */
static void drain_pages_zone(unsigned int cpu, struct zone *zone)
{
        unsigned long flags;
        struct per_cpu_pageset *pset;
        struct per_cpu_pages *pcp;

        local_irq_save(flags);
        pset = per_cpu_ptr(zone->pageset, cpu);

        pcp = &pset->pcp;
        if (pcp->count)
                free_pcppages_bulk(zone, pcp->count, pcp);
        local_irq_restore(flags);
}

요청 zone에 대한 Per-Cpu Page Fram Cache에 등록된 페이지들 모두 buddy 시스템으로 이주시킨다.

 

참고

 

 

4 thoughts to “Zoned Allocator -5- (Per-CPU Page Frame Cache)”

  1. 안녕하세요

    __rmqueue_pcplist 함수에서
    page = list_first_entry(list, struct page, lru)로 page를 가져오는데

    list_first_entry 함수를 보면,
    list의 첫번째 엔트리에서 struct page 내부의 연결 리스트인 lru의 오프셋을 이용하여 page를 가져옵니다.

    list를 setup_per_cpu_pageset() 함수에서 만들어주는데,
    이 list도 struct page의 lru와 동일하다고 보면 되는 건가요?

  2. 안녕하세요? 다로님.

    마지막 질문 문장 “이 list도 struct page의 lru와 동일하다고 보면 되는 건가요?”을 제외하고,
    정확히 풀이해주셨습니다. 마지막 질문 문장은 제가 정확한 질문의 의도를 파악하기 힘듭니다.

    해당 리스트는 per_cpu_pages 구조체 멤버의 lists[]인데 이 리스트에 page들이 매달립니다.
    list = &pcp->lists[migratetype];

    혹시 아직 파악되지 않으신 경우 마지막 질문을 조금 더 자세히 풀어주시면 좋겠습니다.

    1. 제가 잘 이해가 안되고 있는 부분은
      답변 주신 부분에서 ‘lists[]에 page들이 매달린다’는 부분인 것 같습니다.

      lists[]에 page가 매달릴 때, page 내부의 struct list_head lru의 주소가 매달리는 것인지요?

      page = list_first_entry(list, struct page, lru) 를 통해 page를 가져올 때
      list_first_entry(list, struct page, lru)
      list_entry(list->next, struct page, lru)
      container_of(list->next, struct page, lru) 이고,

      최종적으로는 (struct page *)(list->next – offsetof(struct page, lru)) 가 되고
      struct page 내부의 lru의 오프셋을 빼서 page의 주소를 알아오는 것으로 이해했습니다.

      그러려면, lists[]에 저장되는 것이 struct page 내부의 lru의 주소여야 한다고 생각하는데
      제가 생각하는 것이 맞을까요?

      1. 네. 맞습니다.

        list에 두 개의 페이지가 연결되어 있는 경우 다음과 같이 연결됩니다.
        (참고로 lru는 double linked list로, list_head 구조체이며 *next와 *prev 멤버가 사용됩니다)

        list < ----> A page->lru < ----> B page->lru

        위를 더 자세히 표현하면 다음과 같습니다.

        list->next —> A page->lru.next —> B page->lru.next —> 맨 앞 list->next
        list->prev < --- A page->lru.prev < --- B page->lru.prev < --- 맨 앞 list->prev

        감사합니다.

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