Rmap -2- (TTU & Rmap Walk)

<kernel v5.0>

Rmap -2- (TTU & Rmap Walk)

Rmap Walk

다음 그림은 유저 페이지 하나에 대해 rmap 워크를 수행하면서 rmap_walk_control 구조체에 담긴 후크 함수를 호출하는 과정을 보여준다.

  • 유저 페이지 하나가 여러 개의 가상 주소에 매핑된 경우 관련된 VMA들을 찾아 매핑된 pte 엔트리를 대상으로 언매핑, 마이그레이션, … 등 여러 기능들을 수행할 수 있다.

 

다음 그림은 현재 rmap walk를 사용하는 호출 함수들을 보여주며 사용된 후크 함수들을 보여준다.

 

TTU(Try To Unmap)

유저 페이지의 매핑을 해제할 때 rmap walk를 통해 매핑을 해제한다.

  • 사용자 공간의 매핑을 해제할 때 mmu notifier를 통해 연동된 secondary MMU를 제어한다.

 

TTU 플래그

TTU 동작 시 사용할 플래그들이다.

  • TTU_MIGRATION
    • 마이그레이션 모드
  • TTU_MUNLOCK
    • munlock 모드로 VM_LOCKED되지 않은 vma들은 skip 한다.
  • TTU_SPLIT_HUGE_PMD
    • 페이지가 huge PMD인 경우 분리(split) 시킨다.
  • TTU_IGNORE_MLOCK
    • MLOCK 무시
  • TTU_IGNORE_ACCESS
    • young 페이지가 access된 적이 있으면 pte 엔트리의 액세스 플래그를 클리어하고 TLB 플러시를 하게하는데 이의 조사를 무시하게 한다.
  • TTU_IGNORE_HWPOISON
    • hwpoison을 무시하고 손상된 페이지라도 사용한다.
  • TTU_BATCH_FLUSH
    • 가능하면 TLB 플러시를 마지막에 한꺼번에 처리한다.
  • TTU_RMAP_LOCKED
  • TTU_SPLIT_FREEZE
    • thp를 분리(split)할 때 pte를 freeze한다.

 

try_to_unmap()

mm/rmap.c

/**
 * try_to_unmap - try to remove all page table mappings to a page
 * @page: the page to get unmapped
 * @flags: action and flags
 *
 * Tries to remove all the page table entries which are mapping this
 * page, used in the pageout path.  Caller must hold the page lock.
 *
 * If unmap is successful, return true. Otherwise, false.
 */
bool try_to_unmap(struct page *page, enum ttu_flags flags)
{
        struct rmap_walk_control rwc = {
                .rmap_one = try_to_unmap_one,
                .arg = (void *)flags,
                .done = page_mapcount_is_zero,
                .anon_lock = page_lock_anon_vma_read,
        };

        /*
         * During exec, a temporary VMA is setup and later moved.
         * The VMA is moved under the anon_vma lock but not the
         * page tables leading to a race where migration cannot
         * find the migration ptes. Rather than increasing the
         * locking requirements of exec(), migration skips
         * temporary VMAs until after exec() completes.
         */
        if ((flags & (TTU_MIGRATION|TTU_SPLIT_FREEZE))
            && !PageKsm(page) && PageAnon(page))
                rwc.invalid_vma = invalid_migration_vma;

        if (flags & TTU_RMAP_LOCKED)
                rmap_walk_locked(page, &rwc);
        else
                rmap_walk(page, &rwc);

        return !page_mapcount(page) ? true : false;
}

rmap 워크를 통해 페이지에 대한 모든 매핑을 해제한다.

  • 코드 라인 3~8에서 rwc를 통해 호출될 후크 함수들을 지정한다.
  • 코드 라인 18~20에서 thp(TTU_SPLIT_FREEZE)의 분리(split) 또는 마이그레이션(TTU_MIGRATION)에서 사용되었으며 ksm을 제외한 anon 매핑 페이지의 경우 (*invalid_vma) 후크 함수에 invalid_migration_vma() 함수를 지정한다.
  • 코드 라인 22~25에서 rwc를 사용하여 페이지에 대한 모든 매핑을 해제하도록 rmap 워크를 수행한다. TTU_RMAP_LOCKED 플래그가 사용된 경우 외부에서 락을 획득한 상황이다.

 

다음 그림은 try_to_unmap() 함수의 진행 과정을 보여준다.

 

page_mapcount_is_zero()

mm/rmap.c

static int page_mapcount_is_zero(struct page *page)
{
        return !total_mapcount(page);
}

페이지의 매핑 카운터가 0인지 여부를 반환한다.

  • rmap_walk_control 구조체의 (*done) 후크 함수에 연결되어 사용될 때 페이지의 언매핑이 완료되면 rmap walk를 완료하도록 하기 위해 사용된다.

 

total_mapcount()

mm/huge_memory.c

int total_mapcount(struct page *page)
{
        int i, compound, ret;

        VM_BUG_ON_PAGE(PageTail(page), page);

        if (likely(!PageCompound(page)))
                return atomic_read(&page->_mapcount) + 1;

        compound = compound_mapcount(page);
        if (PageHuge(page))
                return compound;
        ret = compound;
        for (i = 0; i < HPAGE_PMD_NR; i++)
                ret += atomic_read(&page[i]._mapcount) + 1;
        /* File pages has compound_mapcount included in _mapcount */
        if (!PageAnon(page))
                return ret - compound * HPAGE_PMD_NR;
        if (PageDoubleMap(page))
                ret -= HPAGE_PMD_NR;
        return ret;
}

페이지의 매핑 카운터 값을 반환한다.

 

page_lock_anon_vma_read()

mm/rmap.c

/*
 * Similar to page_get_anon_vma() except it locks the anon_vma.
 *
 * Its a little more complex as it tries to keep the fast path to a single
 * atomic op -- the trylock. If we fail the trylock, we fall back to getting a
 * reference like with page_get_anon_vma() and then block on the mutex.
 */
struct anon_vma *page_lock_anon_vma_read(struct page *page)
{
        struct anon_vma *anon_vma = NULL;
        struct anon_vma *root_anon_vma;
        unsigned long anon_mapping;

        rcu_read_lock();
        anon_mapping = (unsigned long)READ_ONCE(page->mapping);
        if ((anon_mapping & PAGE_MAPPING_FLAGS) != PAGE_MAPPING_ANON)
                goto out;
        if (!page_mapped(page))
                goto out;

        anon_vma = (struct anon_vma *) (anon_mapping - PAGE_MAPPING_ANON);
        root_anon_vma = READ_ONCE(anon_vma->root);
        if (down_read_trylock(&root_anon_vma->rwsem)) {
                /*
                 * If the page is still mapped, then this anon_vma is still
                 * its anon_vma, and holding the mutex ensures that it will
                 * not go away, see anon_vma_free().
                 */
                if (!page_mapped(page)) {
                        up_read(&root_anon_vma->rwsem);
                        anon_vma = NULL;
                }
                goto out;
        }

        /* trylock failed, we got to sleep */
        if (!atomic_inc_not_zero(&anon_vma->refcount)) {
                anon_vma = NULL;
                goto out;
        }

        if (!page_mapped(page)) {
                rcu_read_unlock();
                put_anon_vma(anon_vma);
                return NULL;
        }

        /* we pinned the anon_vma, its safe to sleep */
        rcu_read_unlock();
        anon_vma_lock_read(anon_vma);

        if (atomic_dec_and_test(&anon_vma->refcount)) {
                /*
                 * Oops, we held the last refcount, release the lock
                 * and bail -- can't simply use put_anon_vma() because
                 * we'll deadlock on the anon_vma_lock_write() recursion.
                 */
                anon_vma_unlock_read(anon_vma);
                __put_anon_vma(anon_vma);
                anon_vma = NULL;
        }

        return anon_vma;

out:
        rcu_read_unlock();
        return anon_vma;
}

anon 페이지에 대한 루트 anon_vma 락을 획득하고, anon_vma를 반환한다.

 


rmap 워크

rmap_walk()

mm/rmap.c

void rmap_walk(struct page *page, struct rmap_walk_control *rwc)
{
        if (unlikely(PageKsm(page)))
                rmap_walk_ksm(page, rwc);
        else if (PageAnon(page))
                rmap_walk_anon(page, rwc, false);
        else
                rmap_walk_file(page, rwc, false);
}

페이지가 소속된 ksm, anon 및 file 타입에 대한 vma들을 순회하며 rwc의 (*rmap_one) 후크 함수를 동작시킨다.

 

/*
 * rmap_walk_anon - do something to anonymous page using the object-based
 * rmap method
 * @page: the page to be handled
 * @rwc: control variable according to each walk type
 *
 * Find all the mappings of a page using the mapping pointer and the vma chains
 * contained in the anon_vma struct it points to.
 *
 * When called from try_to_munlock(), the mmap_sem of the mm containing the vma
 * where the page was found will be held for write.  So, we won't recheck
 * vm_flags for that VMA.  That should be OK, because that vma shouldn't be
 * LOCKED.
 */
static void rmap_walk_anon(struct page *page, struct rmap_walk_control *rwc,
                bool locked)
{
        struct anon_vma *anon_vma;
        pgoff_t pgoff_start, pgoff_end;
        struct anon_vma_chain *avc;

        if (locked) {
                anon_vma = page_anon_vma(page);
                /* anon_vma disappear under us? */
                VM_BUG_ON_PAGE(!anon_vma, page);
        } else {
                anon_vma = rmap_walk_anon_lock(page, rwc);
        }
        if (!anon_vma)
                return;

        pgoff_start = page_to_pgoff(page);
        pgoff_end = pgoff_start + hpage_nr_pages(page) - 1;
        anon_vma_interval_tree_foreach(avc, &anon_vma->rb_root,
                        pgoff_start, pgoff_end) {
                struct vm_area_struct *vma = avc->vma;
                unsigned long address = vma_address(page, vma);

                cond_resched();

                if (rwc->invalid_vma && rwc->invalid_vma(vma, rwc->arg))
                        continue;

                if (!rwc->rmap_one(page, vma, address, rwc->arg))
                        break;
                if (rwc->done && rwc->done(page))
                        break;
        }

        if (!locked)
                anon_vma_unlock_read(anon_vma);
}

페이지가 소속된 anon vma들을 순회하며 rwc의 (*rmap_one) 후크 함수를 동작시킨다.

  • 코드 라인 8~16에서 페이지에 해당하는 anon_vma를 구해온다. @locked가 설정되지 않은 경우 이 함수에서 anon_vma에 대한 lock을 획득해야 한다.
  • 코드 라인 18~23에서 pgoff 시작 ~ pgoff 끝에 포함되는 anon_vma에 소속된 vma들을 순회한다.
  • 코드 라인 27~28에서 rwc에 (*invalid_vma) 후크 함수를 수행한 결과가 ture인 경우 해당 vma는 skip 한다.
  • 코드 라인 30~31에서 rwc의 (*rmap_one) 후크 함수를 수행한다. 만일 실패한 경우 break 한다.
  • 코드 라인 32~33에서 rwc의 (*done) 후크 함수를 수행한 후 결과가 true이면 break 한다.
  • 코드 라인 36~37에서 anon_vma에 대한 락을 해제한다.

 

/*
 * rmap_walk_file - do something to file page using the object-based rmap method
 * @page: the page to be handled
 * @rwc: control variable according to each walk type
 *
 * Find all the mappings of a page using the mapping pointer and the vma chains
 * contained in the address_space struct it points to.
 *
 * When called from try_to_munlock(), the mmap_sem of the mm containing the vma
 * where the page was found will be held for write.  So, we won't recheck
 * vm_flags for that VMA.  That should be OK, because that vma shouldn't be
 * LOCKED.
 */
static void rmap_walk_file(struct page *page, struct rmap_walk_control *rwc,
                bool locked)
{
        struct address_space *mapping = page_mapping(page);
        pgoff_t pgoff_start, pgoff_end;
        struct vm_area_struct *vma;

        /*
         * The page lock not only makes sure that page->mapping cannot
         * suddenly be NULLified by truncation, it makes sure that the
         * structure at mapping cannot be freed and reused yet,
         * so we can safely take mapping->i_mmap_rwsem.
         */
        VM_BUG_ON_PAGE(!PageLocked(page), page);

        if (!mapping)
                return;

        pgoff_start = page_to_pgoff(page);
        pgoff_end = pgoff_start + hpage_nr_pages(page) - 1;
        if (!locked)
                i_mmap_lock_read(mapping);
        vma_interval_tree_foreach(vma, &mapping->i_mmap,
                        pgoff_start, pgoff_end) {
                unsigned long address = vma_address(page, vma);

                cond_resched();

                if (rwc->invalid_vma && rwc->invalid_vma(vma, rwc->arg))
                        continue;

                if (!rwc->rmap_one(page, vma, address, rwc->arg))
                        goto done;
                if (rwc->done && rwc->done(page))
                        goto done;
        }

done:
        if (!locked)
                i_mmap_unlock_read(mapping);
}

페이지가 소속된 file vma들을 순회하며 rwc의 (*rmap_one) 후크 함수를 동작시킨다.

  • 코드 라인 4~17에서 매핑된 파일 페이지가 아닌 경우 함수를 빠져나간다.
  • 코드 라인 19~20에서 파일 페이지에서 pgoff 시작과 pgoff 끝을 산출한다.
  • 코드 라인 21~22에서 @locked가 설정되지 않은 경우 이 함수에서 i_mmap에 대한 lock을 획득해야 한다.
  • 코드 라인 23~24에서 pgoff 시작 ~ pgoff 끝에 포함되는 파일 매핑 공간에 대해 인터벌 트리를 통해 vma들을 순회한다.
  • 코드 라인 29~30에서 rwc의 (*invalid_vma) 후크 함수를 수행한 결과가 true인 경우 해당 vma는 skip 한다.
  • 코드 라인 32~33에서 rwc의 (*rmap_one) 후크 함수를 수행한다. 수행 결과가 실패한 경우 break 한다.
  • 코드 라인 34~35에서 rwc의 (*done) 후크 함수의 수행 결과가 true인 경우 break 한다.
  • 코드 라인 38~40에서 done: 레이블이다. i_mmap에 대한 락을 해제한다.

 

언맵 1개 시도

try_to_unmap_one()

mm/rmap.c -1/6-

/*
 * @arg: enum ttu_flags will be passed to this argument
 */
static bool try_to_unmap_one(struct page *page, struct vm_area_struct *vma,
                     unsigned long address, void *arg)
{
        struct mm_struct *mm = vma->vm_mm;
        struct page_vma_mapped_walk pvmw = {
                .page = page,
                .vma = vma,
                .address = address,
        };
        pte_t pteval;
        struct page *subpage;
        bool ret = true;
        struct mmu_notifier_range range;
        enum ttu_flags flags = (enum ttu_flags)arg;

        /* munlock has nothing to gain from examining un-locked vmas */
        if ((flags & TTU_MUNLOCK) && !(vma->vm_flags & VM_LOCKED))
                return true;

        if (IS_ENABLED(CONFIG_MIGRATION) && (flags & TTU_MIGRATION) &&
            is_zone_device_page(page) && !is_device_private_page(page))
                return true;

        if (flags & TTU_SPLIT_HUGE_PMD) {
                split_huge_pmd_address(vma, address,
                                flags & TTU_SPLIT_FREEZE, page);
        }

        /*
         * For THP, we have to assume the worse case ie pmd for invalidation.
         * For hugetlb, it could be much worse if we need to do pud
         * invalidation in the case of pmd sharing.
         *
         * Note that the page can not be free in this function as call of
         * try_to_unmap() must hold a reference on the page.
         */
        mmu_notifier_range_init(&range, vma->vm_mm, address,
                                min(vma->vm_end, address +
                                    (PAGE_SIZE << compound_order(page))));
        if (PageHuge(page)) {
                /*
                 * If sharing is possible, start and end will be adjusted
                 * accordingly.
                 */
                adjust_range_if_pmd_sharing_possible(vma, &range.start,
                                                     &range.end);
        }
        mmu_notifier_invalidate_range_start(&range);

 

  • 코드 라인 4에서 vma가 소속된 가상 주소 공간 관리 mm을 구해온다.
  • 코드 라인 5~9에서 매핑 여부를 확인하기 위한 pvmw를 준비한다.
  • 코드 라인 17~18에서 VM_LOCKED 설정되지 않은 vma에 TTU_MUNLOCK 요청이 있는 경우 해당 페이지를 skip하기 위해 그냥 성공을 반환한다.
  • 코드 라인 20~22에서 migration 매핑 요청 시 hmm이 아닌 zone 디바이스인 경우 skip 하기 위해 true를 반환한다.
    • hmm이 아닌 zone 디바이스는 정규 매핑/언매핑 동작을 수행할 수 없다.
  • 코드 라인 24~27에서 huge 페이지 split 요청을 수행한다.
  • 코드 라인 37~39에서 mmu_notifier_range를 초기화한다.
  • 코드 라인 40~47에서 huge 페이지인 경우 위의 range를 조정한다.
  • 코드 라인 48에서 secondary mmu의range에 대한 tlb 무효화를 수행하기 전에 시작됨을 알려주기 위해 mmu notifier가 등록된  (*invalidate_range_start) 함수를 호출한다.

 

mm/rmap.c -2/6-

        while (page_vma_mapped_walk(&pvmw)) {
#ifdef CONFIG_ARCH_ENABLE_THP_MIGRATION
                /* PMD-mapped THP migration entry */
                if (!pvmw.pte && (flags & TTU_MIGRATION)) {
                        VM_BUG_ON_PAGE(PageHuge(page) || !PageTransCompound(page), page);

                        set_pmd_migration_entry(&pvmw, page);
                        continue;
                }
#endif

                /*
                 * If the page is mlock()d, we cannot swap it out.
                 * If it's recently referenced (perhaps page_referenced
                 * skipped over this mm) then we should reactivate it.
                 */
                if (!(flags & TTU_IGNORE_MLOCK)) {
                        if (vma->vm_flags & VM_LOCKED) {
                                /* PTE-mapped THP are never mlocked */
                                if (!PageTransCompound(page)) {
                                        /*
                                         * Holding pte lock, we do *not* need
                                         * mmap_sem here
                                         */
                                        mlock_vma_page(page);
                                }
                                ret = false;
                                page_vma_mapped_walk_done(&pvmw);
                                break;
                        }
                        if (flags & TTU_MUNLOCK)
                                continue;
                }

                /* Unexpected PMD-mapped THP? */
                VM_BUG_ON_PAGE(!pvmw.pte, page);

                subpage = page - page_to_pfn(page) + pte_pfn(*pvmw.pte);
                address = pvmw.address;

                if (PageHuge(page)) {
                        if (huge_pmd_unshare(mm, &address, pvmw.pte)) {
                                /*
                                 * huge_pmd_unshare unmapped an entire PMD
                                 * page.  There is no way of knowing exactly
                                 * which PMDs may be cached for this mm, so
                                 * we must flush them all.  start/end were
                                 * already adjusted above to cover this range.
                                 */
                                flush_cache_range(vma, range.start, range.end);
                                flush_tlb_range(vma, range.start, range.end);
                                mmu_notifier_invalidate_range(mm, range.start,
                                                              range.end);

                                /*
                                 * The ref count of the PMD page was dropped
                                 * which is part of the way map counting
                                 * is done for shared PMDs.  Return 'true'
                                 * here.  When there is no other sharing,
                                 * huge_pmd_unshare returns false and we will
                                 * unmap the actual page and drop map count
                                 * to zero.
                                 */
                                page_vma_mapped_walk_done(&pvmw);
                                break;
                        }
                }
  • 코드 라인 1에서 pvmw를 통해 요청한 정규 매핑 상태가 정상인 경우에 한해 루프를 돈다.
  • 코드 라인 4~9에서 pmd 엔트리를 통해 thp 페이지를 migration 엔트리에 매핑하고 루프를 계속 수행 한다.
  • 코드 라인 17~33에서 TTU_IGNORE_MLOCK 플래그가 없이 요청한 경우 mlocked 페이지는 swap out할 수 없다. VM_LOCKED vma 영역인 경우 루프를 멈추고 처리도 중단하게 한다.
  • 코드 라인 38~67에서 공유되지 않은 huge 페이지인 경우 range 영역에 대해 캐시 및 tlb 캐시를 플러시하고, secondary MMU의 range에 대한 tlb 무효화를 수행한다. 그런 후 루프를 멈추고 처리도 중단하게 한다.

 

mm/rmap.c -3/6-

.               if (IS_ENABLED(CONFIG_MIGRATION) &&
                    (flags & TTU_MIGRATION) &&
                    is_zone_device_page(page)) {
                        swp_entry_t entry;
                        pte_t swp_pte;

                        pteval = ptep_get_and_clear(mm, pvmw.address, pvmw.pte);

                        /*
                         * Store the pfn of the page in a special migration
                         * pte. do_swap_page() will wait until the migration
                         * pte is removed and then restart fault handling.
                         */
                        entry = make_migration_entry(page, 0);
                        swp_pte = swp_entry_to_pte(entry);
                        if (pte_soft_dirty(pteval))
                                swp_pte = pte_swp_mksoft_dirty(swp_pte);
                        set_pte_at(mm, pvmw.address, pvmw.pte, swp_pte);
                        /*
                         * No need to invalidate here it will synchronize on
                         * against the special swap migration pte.
                         */
                        goto discard;
                }

                if (!(flags & TTU_IGNORE_ACCESS)) {
                        if (ptep_clear_flush_young_notify(vma, address,
                                                pvmw.pte)) {
                                ret = false;
                                page_vma_mapped_walk_done(&pvmw);
                                break;
                        }
                }

                /* Nuke the page table entry. */
                flush_cache_page(vma, address, pte_pfn(*pvmw.pte));
                if (should_defer_flush(mm, flags)) {
                        /*
                         * We clear the PTE but do not flush so potentially
                         * a remote CPU could still be writing to the page.
                         * If the entry was previously clean then the
                         * architecture must guarantee that a clear->dirty
                         * transition on a cached TLB entry is written through
                         * and traps if the PTE is unmapped.
                         */
                        pteval = ptep_get_and_clear(mm, address, pvmw.pte);

                        set_tlb_ubc_flush_pending(mm, pte_dirty(pteval));
                } else {
                        pteval = ptep_clear_flush(vma, address, pvmw.pte);
                }

                /* Move the dirty bit to the page. Now the pte is gone. */
                if (pte_dirty(pteval))
                        set_page_dirty(page);

                /* Update high watermark before we lower rss */
                update_hiwater_rss(mm);
  • 코드 라인 1~24에서 존 디바이스 페이지에 TTU_MIGRATION 플래그를 요청한 경우이다. 기존 pte 매핑 엔트리 값을 가져오고 매핑을 클리어한 후 다시 swap 엔트리에 매핑을 수행한다.
  • 코드 라인 26~33에서 TTU_IGNORE_ACCESS 플래그 요청이 없는 경우 address에 해당하는 secondary MMU의 pte 엔트리의 young/accessed 플래그를 test-and-clearing을 수행한 후 access된 적이 있으면 플러시하고 루틴을 중단하게 한다.
  • 코드 라인 36에서 유저 가상 주소에 대한 캐시를 flush한다.
    • ARM64 아키텍처는 아무런 동작도 하지 않는다.
    • 아키텍처의 캐시 타입이 vivt 또는 vipt aliasing 등을 사용하면 flush 한다.
  • 코드 라인 37~51에서 유저 가상 주소에 매핑된 pte 엔트리를 클리어하여 언매핑하고, tlb 플러시한다. 만일 TTU_BATCH_FLUSH 플러그 요청을 받은 경우 tlb flush는 마지막에 모아 처리하는 것으로 성능을 높인다.
  • 코드 라인 54~55에서 언매핑(클리어) 하기 전 기존 pte 엔트리가 dirty 상태인 경우 페이지를 dirty 상태로 설정한다.
  • 코드 라인 58에서 mm의 hiwater_rss 카운터를 최고 값인 경우 갱신한다.
    • mm의 file 페이지 수 + anon 페이지 수 + shmem 페이지 수

 

mm/rmap.c -4/6-

.               if (PageHWPoison(page) && !(flags & TTU_IGNORE_HWPOISON)) {
                        pteval = swp_entry_to_pte(make_hwpoison_entry(subpage));
                        if (PageHuge(page)) {
                                int nr = 1 << compound_order(page);
                                hugetlb_count_sub(nr, mm);
                                set_huge_swap_pte_at(mm, address,
                                                     pvmw.pte, pteval,
                                                     vma_mmu_pagesize(vma));
                        } else {
                                dec_mm_counter(mm, mm_counter(page));
                                set_pte_at(mm, address, pvmw.pte, pteval);
                        }

                } else if (pte_unused(pteval) && !userfaultfd_armed(vma)) {
                        /*
                         * The guest indicated that the page content is of no
                         * interest anymore. Simply discard the pte, vmscan
                         * will take care of the rest.
                         * A future reference will then fault in a new zero
                         * page. When userfaultfd is active, we must not drop
                         * this page though, as its main user (postcopy
                         * migration) will not expect userfaults on already
                         * copied pages.
                         */
                        dec_mm_counter(mm, mm_counter(page));
                        /* We have to invalidate as we cleared the pte */
                        mmu_notifier_invalidate_range(mm, address,
                                                      address + PAGE_SIZE);
                } else if (IS_ENABLED(CONFIG_MIGRATION) &&
                                (flags & (TTU_MIGRATION|TTU_SPLIT_FREEZE))) {
                        swp_entry_t entry;
                        pte_t swp_pte;

                        if (arch_unmap_one(mm, vma, address, pteval) < 0) {
                                set_pte_at(mm, address, pvmw.pte, pteval);
                                ret = false;
                                page_vma_mapped_walk_done(&pvmw);
                                break;
                        }

                        /*
                         * Store the pfn of the page in a special migration
                         * pte. do_swap_page() will wait until the migration
                         * pte is removed and then restart fault handling.
                         */
                        entry = make_migration_entry(subpage,
                                        pte_write(pteval));
                        swp_pte = swp_entry_to_pte(entry);
                        if (pte_soft_dirty(pteval))
                                swp_pte = pte_swp_mksoft_dirty(swp_pte);
                        set_pte_at(mm, address, pvmw.pte, swp_pte);
                        /*
                         * No need to invalidate here it will synchronize on
                         * against the special swap migration pte.
                         */
  • 코드 라인 1~12에서 hwpoison 페이지이면서 TTU_IGNORE_HWPOISON 플래그를 사용하지 않는 요청인 경우이다.  관련 mm 카운터(anon, file, shm)를 페이지 수 만큼 감소시킨다. 그런 후 pte 엔트리에 swap 엔트리 값을 매핑시킨다.
  • 코드 라인 14~28에서 userfaultfd vma의 사용되지 않는 pte 값인 경우 관련 mm 카운터(anon, file, shm)를 페이지 수 만큼 감소시킨다. 그런 후 secondary MMU도 가상 주소에 대한 TLB 무효화(invalidate)를 수행하게 한다.
  • 코드 라인 29~51에서 TTU_MIGRATION 또는 TTU_SPLIT_FREEZE 플래그 요청을 받은 경우이다. migration할 swap 엔트리를 매핑한다. 기존 매핑에 soft dirty가 설정된 경우 swap 엔트리에도 포함시킨다.

 

mm/rmap.c -5/6-

.               } else if (PageAnon(page)) {
                        swp_entry_t entry = { .val = page_private(subpage) };
                        pte_t swp_pte;
                        /*
                         * Store the swap location in the pte.
                         * See handle_pte_fault() ...
                         */
                        if (unlikely(PageSwapBacked(page) != PageSwapCache(page))) {
                                WARN_ON_ONCE(1);
                                ret = false;
                                /* We have to invalidate as we cleared the pte */
                                mmu_notifier_invalidate_range(mm, address,
                                                        address + PAGE_SIZE);
                                page_vma_mapped_walk_done(&pvmw);
                                break;
                        }

                        /* MADV_FREE page check */
                        if (!PageSwapBacked(page)) {
                                if (!PageDirty(page)) {
                                        /* Invalidate as we cleared the pte */
                                        mmu_notifier_invalidate_range(mm,
                                                address, address + PAGE_SIZE);
                                        dec_mm_counter(mm, MM_ANONPAGES);
                                        goto discard;
                                }

                                /*
                                 * If the page was redirtied, it cannot be
                                 * discarded. Remap the page to page table.
                                 */
                                set_pte_at(mm, address, pvmw.pte, pteval);
                                SetPageSwapBacked(page);
                                ret = false;
                                page_vma_mapped_walk_done(&pvmw);
                                break;
                        }

                        if (swap_duplicate(entry) < 0) {
                                set_pte_at(mm, address, pvmw.pte, pteval);
                                ret = false;
                                page_vma_mapped_walk_done(&pvmw);
                                break;
                        }
                        if (arch_unmap_one(mm, vma, address, pteval) < 0) {
                                set_pte_at(mm, address, pvmw.pte, pteval);
                                ret = false;
                                page_vma_mapped_walk_done(&pvmw);
                                break;
                        }
                        if (list_empty(&mm->mmlist)) {
                                spin_lock(&mmlist_lock);
                                if (list_empty(&mm->mmlist))
                                        list_add(&mm->mmlist, &init_mm.mmlist);
                                spin_unlock(&mmlist_lock);
                        }
                        dec_mm_counter(mm, MM_ANONPAGES);
                        inc_mm_counter(mm, MM_SWAPENTS);
                        swp_pte = swp_entry_to_pte(entry);
                        if (pte_soft_dirty(pteval))
                                swp_pte = pte_swp_mksoft_dirty(swp_pte);
                        set_pte_at(mm, address, pvmw.pte, swp_pte);
                        /* Invalidate as we cleared the pte */
                        mmu_notifier_invalidate_range(mm, address,
                                                      address + PAGE_SIZE);
  • 코드 라인 1~16에서 anon 페이지에 대한 처리이다. 낮은 확률로 페이지가 swapbacked와 swapcache 플래그 설정이 일치하지 않은 경우 secondary mmu의 tlb 무효화를 수행하고, 루틴을 중단하게 한다.
  • 코드 라인 19~37에서 SwapBacked 페이지가 아닌 경우 다시 페이지를 매핑하고, 루틴을 중단하게 한다. 단 dirty 페이지가 아닌 경우 secondary mmu의 tlb 무효화를 수행하고 anon mm 카운터를 감소시킨 후 discard 레이블로 이동하여 다음을 진행하게 한다.
  • 코드 라인 39~44에서 swap 엔트리의 참조 카운터를 1 증가시킨다. 에러인 경우 다시 페이지를 매핑하고 루틴을 중단하게 한다.
  • 코드 라인 45~50에서 아키텍처 고유의 unmap 수행 시 에러가 발생하면 다시 페이지를 매핑하고 루틴을 중단하게 한다.
    • 현재 sparc_64 아키텍처만 지원한다.
  • 코드 라인 51~56에서 현재 mm의 mmlist가 비어있는 경우 init_mm의 mmlist에 추가한다.
  • 코드 라인 57~65에서 anon, swap mm 카운터를 증가시키고 swap 엔트리를 매핑한 후 secondary mmu의 tlb 무효화를 수행한다.

 

mm/rmap.c -6/6-

                } else {
                        /*
                         * This is a locked file-backed page, thus it cannot
                         * be removed from the page cache and replaced by a new
                         * page before mmu_notifier_invalidate_range_end, so no
                         * concurrent thread might update its page table to
                         * point at new page while a device still is using this
                         * page.
                         *
                         * See Documentation/vm/mmu_notifier.rst
                         */
                        dec_mm_counter(mm, mm_counter_file(page));
                }
discard:
                /*
                 * No need to call mmu_notifier_invalidate_range() it has be
                 * done above for all cases requiring it to happen under page
                 * table lock before mmu_notifier_invalidate_range_end()
                 *
                 * See Documentation/vm/mmu_notifier.rst
                 */
                page_remove_rmap(subpage, PageHuge(page));
                put_page(page);
        }

        mmu_notifier_invalidate_range_end(&range);

        return ret;
}
  • 코드 라인 1~13에서 그 밖(file-backed 페이지)의 경우 file 관련 mm 카운터(file, shm)를 감소시킨다.
  • 코드 라인 14~23에서 discard: 레이블이다. 페이지의 rmap 매핑을 제거한 후 페이지 사용을 완료한다.
  • 코드 라인 26에서 primary MMU의 range 영역에 대한 invalidate가 완료되었다. 따라서 이 함수를 호출해 secondary MMU를 위해 mmu notifier에 등록된 (*invalidate_range_end) 후크 함수를 호출해준다.
    • (*invalidate_range_start) 후크 함수와 항상 pair로 동작한다.

 

ptep_clear_flush_young_notify()

include/linux/mmu_notifier.h

#define ptep_clear_flush_young_notify(__vma, __address, __ptep)         \
({                                                                      \
        int __young;                                                    \
        struct vm_area_struct *___vma = __vma;                          \
        unsigned long ___address = __address;                           \
        __young = ptep_clear_flush_young(___vma, ___address, __ptep);   \
        __young |= mmu_notifier_clear_flush_young(___vma->vm_mm,        \
                                                  ___address,           \
                                                  ___address +          \
                                                        PAGE_SIZE);     \
        __young;                                                        \
})

페이지가 access된 적이 있으면 access 플래그를 클리어하고 플러시를 수행한다. access 여부가 있거나 mnu_notifier에 등록된 (*clear_flush_young) 후크 함수의 결과를 반환한다.

  • 코드 라인 6에서 pte 엔트리에 액세스 플래그 설정 유무를 알아오고 클리어한다. 액세스된 적이 있으면 tlb 플러시한다.
  • 코드 라인 7에서 mnu notifier에 등록된 (*clear_flush_young) 후크 함수를 호출한 결과를 더한다.
    • 다음 함수에서 사용되고 있다.
      • virt/kvm/kvm_main.c – kvm_mmu_notifier_clear_flush_young()
      • drivers/iommu/amd_iommu_v2.c – mn_clear_flush_young()

 


MMU Notifier

가상 주소 영역에 매핑된 물리 주소와 관련된 secondary MMU(KVM, IOMMU, …)의 mmu 관련 operation 함수를 동작시킨다. mmu notifier를 사용할 드라이버들은 mmu_notifier_ops를 포함한 mmu_notifier 구조체를 준비하여 mmu_notifer_register()를 통해 등록하여 사용한다.

 

다음 그림은 유저 가상 주소 공간에 매핑된 물리 주소 공간의 페이지의 매핑이 변경되었을 때 Secondary MMU도 같이 영향 받는 모습을 보여준다.

 

mmu_notifier 구조체

include/linux/mmu_notifier.h

/*
 * The notifier chains are protected by mmap_sem and/or the reverse map
 * semaphores. Notifier chains are only changed when all reverse maps and
 * the mmap_sem locks are taken.
 *
 * Therefore notifier chains can only be traversed when either
 *
 * 1. mmap_sem is held.
 * 2. One of the reverse map locks is held (i_mmap_rwsem or anon_vma->rwsem).
 * 3. No other concurrent thread can access the list (release)
 */
struct mmu_notifier {
        struct hlist_node hlist;
        const struct mmu_notifier_ops *ops;
};

IOMMU 드라이버가 준비한 mmu_notifier_ops를 관련 가상 주소 공간을 관리하는 mm의 mmu_notifier_mm 리스트에 추가하여 등록하는 구조체이다.

  •  hlist
    • mm_struct의 멤버 mmu_notifier_mm->list에 등록할 때 사용하는 노드 엔트리이다.
  • *ops
    • 준비한 mmu_notifier_ops 구조체를 가리킨다.

 

mmu_notifier_ops 구조체

include/linux/mmu_notifier.h -1/2-

struct mmu_notifier_ops {
        /*
         * Called either by mmu_notifier_unregister or when the mm is
         * being destroyed by exit_mmap, always before all pages are
         * freed. This can run concurrently with other mmu notifier
         * methods (the ones invoked outside the mm context) and it
         * should tear down all secondary mmu mappings and freeze the
         * secondary mmu. If this method isn't implemented you've to
         * be sure that nothing could possibly write to the pages
         * through the secondary mmu by the time the last thread with
         * tsk->mm == mm exits.
         *
         * As side note: the pages freed after ->release returns could
         * be immediately reallocated by the gart at an alias physical
         * address with a different cache model, so if ->release isn't
         * implemented because all _software_ driven memory accesses
         * through the secondary mmu are terminated by the time the
         * last thread of this mm quits, you've also to be sure that
         * speculative _hardware_ operations can't allocate dirty
         * cachelines in the cpu that could not be snooped and made
         * coherent with the other read and write operations happening
         * through the gart alias address, so leading to memory
         * corruption.
         */
        void (*release)(struct mmu_notifier *mn,
                        struct mm_struct *mm);

        /*
         * clear_flush_young is called after the VM is
         * test-and-clearing the young/accessed bitflag in the
         * pte. This way the VM will provide proper aging to the
         * accesses to the page through the secondary MMUs and not
         * only to the ones through the Linux pte.
         * Start-end is necessary in case the secondary MMU is mapping the page
         * at a smaller granularity than the primary MMU.
         */
        int (*clear_flush_young)(struct mmu_notifier *mn,
                                 struct mm_struct *mm,
                                 unsigned long start,
                                 unsigned long end);

        /*
         * clear_young is a lightweight version of clear_flush_young. Like the
         * latter, it is supposed to test-and-clear the young/accessed bitflag
         * in the secondary pte, but it may omit flushing the secondary tlb.
         */
        int (*clear_young)(struct mmu_notifier *mn,
                           struct mm_struct *mm,
                           unsigned long start,
                           unsigned long end);

        /*
         * test_young is called to check the young/accessed bitflag in
         * the secondary pte. This is used to know if the page is
         * frequently used without actually clearing the flag or tearing
         * down the secondary mapping on the page.
         */
        int (*test_young)(struct mmu_notifier *mn,
                          struct mm_struct *mm,
                          unsigned long address);

        /*
         * change_pte is called in cases that pte mapping to page is changed:
         * for example, when ksm remaps pte to point to a new shared page.
         */
        void (*change_pte)(struct mmu_notifier *mn,
                           struct mm_struct *mm,
                           unsigned long address,
                           pte_t pte);
  • (*release)
    • mm이 제거되거나, mmu_notifer_unregister() 호출 시 동작되는 후크 함수이다.
  • (*clear_flush_young)
    • pte 엔트리에 있는 young/accessed 비트 플래그에 대해 test-and-clearing 사용 후 호출되는 후크 함수이다.
    • Secondary MMU에서 start ~ end 주소 범위에 관련된 young/accessed 비트 플래그의 test-and-clearing을 수행 후 secondary MMU의 tlb 플러시를 수행하게 한다.
  • (*clear_young)
    • 위의 (*clear_flush_young)의 light 버전으로 secondary MMU의 tlb 플러시를 수행하지 않는다.
  • (*test_young)
    • Secondary MMU에서 start ~ end 주소 범위에 관련된 young/accessed 비트 플래그 상태를 반환한다.
  • (*change_pte)
    • Secondary MMU에서 address 주소에 관련된 pte를 교체한다.

 

include/linux/mmu_notifier.h -2/2-

        /*
         * invalidate_range_start() and invalidate_range_end() must be
         * paired and are called only when the mmap_sem and/or the
         * locks protecting the reverse maps are held. If the subsystem
         * can't guarantee that no additional references are taken to
         * the pages in the range, it has to implement the
         * invalidate_range() notifier to remove any references taken
         * after invalidate_range_start().
         *
         * Invalidation of multiple concurrent ranges may be
         * optionally permitted by the driver. Either way the
         * establishment of sptes is forbidden in the range passed to
         * invalidate_range_begin/end for the whole duration of the
         * invalidate_range_begin/end critical section.
         *
         * invalidate_range_start() is called when all pages in the
         * range are still mapped and have at least a refcount of one.
         *
         * invalidate_range_end() is called when all pages in the
         * range have been unmapped and the pages have been freed by
         * the VM.
         *
         * The VM will remove the page table entries and potentially
         * the page between invalidate_range_start() and
         * invalidate_range_end(). If the page must not be freed
         * because of pending I/O or other circumstances then the
         * invalidate_range_start() callback (or the initial mapping
         * by the driver) must make sure that the refcount is kept
         * elevated.
         *
         * If the driver increases the refcount when the pages are
         * initially mapped into an address space then either
         * invalidate_range_start() or invalidate_range_end() may
         * decrease the refcount. If the refcount is decreased on
         * invalidate_range_start() then the VM can free pages as page
         * table entries are removed.  If the refcount is only
         * droppped on invalidate_range_end() then the driver itself
         * will drop the last refcount but it must take care to flush
         * any secondary tlb before doing the final free on the
         * page. Pages will no longer be referenced by the linux
         * address space but may still be referenced by sptes until
         * the last refcount is dropped.
         *
         * If blockable argument is set to false then the callback cannot
         * sleep and has to return with -EAGAIN. 0 should be returned
         * otherwise. Please note that if invalidate_range_start approves
         * a non-blocking behavior then the same applies to
         * invalidate_range_end.
         *
         */
        int (*invalidate_range_start)(struct mmu_notifier *mn,
                                      const struct mmu_notifier_range *range);
        void (*invalidate_range_end)(struct mmu_notifier *mn,
                                     const struct mmu_notifier_range *range);

        /*
         * invalidate_range() is either called between
         * invalidate_range_start() and invalidate_range_end() when the
         * VM has to free pages that where unmapped, but before the
         * pages are actually freed, or outside of _start()/_end() when
         * a (remote) TLB is necessary.
         *
         * If invalidate_range() is used to manage a non-CPU TLB with
         * shared page-tables, it not necessary to implement the
         * invalidate_range_start()/end() notifiers, as
         * invalidate_range() alread catches the points in time when an
         * external TLB range needs to be flushed. For more in depth
         * discussion on this see Documentation/vm/mmu_notifier.rst
         *
         * Note that this function might be called with just a sub-range
         * of what was passed to invalidate_range_start()/end(), if
         * called between those functions.
         */
        void (*invalidate_range)(struct mmu_notifier *mn, struct mm_struct *mm,
                                 unsigned long start, unsigned long end);
};
  • (*invalidate_range_start)
  • (*invalidate_range_end)
    • 위 두 개의 후크 함수는 페어로 동작한다. VM들에 대해 primary MMU의 해당 range에 대해 TLB를 무효화할 때, secondary MMU도 따라서 TLB 무효화를 수행하는데, rmap walk를 통해 한꺼번에 조작하는 루틴 전후에 이 후크 함수들을 호출한다.
  • (*invalidate_range)
    • VM에서 primary MMU의 주어진 범위를 invalidate 한 후 secondary MMU도 같이 호출된다.

 

다음 그림은 mmu notifier를 사용 시 secondary MMU에 대해 init, start, end 등의 위치를 확인할 수 있다.

 


MM 카운터

  • RSS(Resident Set Size)
    • 프로세스에 실제 물리 메모리가 매핑되어 사용중인 페이지 수를 말한다.
    • swap out된 페이지는 제외하고, 스택 및 힙 메모리 등이 포함된다.
  • VSZ(Virutal memory SiZe)
    • 프로세스가 사용중인 가상 주소 페이지 수이다.
    • RSS보다 크며 swap out된 페이지들도 포함되고, 공간에 할당되었지만 한 번도 액세스되지 않아 실제 메모리가 매핑되지 않은 페이지들을 포함한다.

 

다음과 같이 bash(pid=5831)  프로세스가 사용하는 RSS 및 VSZ 카운터를 확인할 수 있다.

$ cat /proc/5831/status
Name:   bash
State:  S (sleeping)
Tgid:   5831
Ngid:   0
Pid:    5831
PPid:   5795
TracerPid:      0
Uid:    0       0       0       0
Gid:    0       0       0       0
FDSize: 256
Groups: 0
NStgid: 5831
NSpid:  5831
NSpgid: 5831
NSsid:  5831
VmPeak:     6768 kB     <--- hiwater VSZ
VmSize:     6704 kB     <--- VSZ
VmLck:         0 kB
VmPin:         0 kB
VmHWM:      4552 kB     <--- hiwater RSS (file + anon + shm)
VmRSS:      3868 kB     <--- RSS
VmData:     1652 kB
VmStk:       132 kB
VmExe:       944 kB
VmLib:      1648 kB
VmPTE:        28 kB
VmPMD:        12 kB
VmSwap:        0 kB
Threads:        1
SigQ:   0/15244
SigPnd: 0000000000000000
ShdPnd: 0000000000000000
SigBlk: 0000000000000000
SigIgn: 0000000000380004
SigCgt: 000000004b817efb
CapInh: 0000000000000000
CapPrm: 0000003fffffffff
CapEff: 0000003fffffffff
CapBnd: 0000003fffffffff
CapAmb: 0000000000000000
Seccomp:        0
Cpus_allowed:   3f
Cpus_allowed_list:      0-5
Mems_allowed:   1
Mems_allowed_list:      0
voluntary_ctxt_switches:        50
nonvoluntary_ctxt_switches:     29

 


페이지 참조 확인

page_referenced()

mm/rmap.c

/**
 * page_referenced - test if the page was referenced
 * @page: the page to test
 * @is_locked: caller holds lock on the page
 * @memcg: target memory cgroup
 * @vm_flags: collect encountered vma->vm_flags who actually referenced the page
 *
 * Quick test_and_clear_referenced for all mappings to a page,
 * returns the number of ptes which referenced the page.
 */
int page_referenced(struct page *page,
                    int is_locked,
                    struct mem_cgroup *memcg,
                    unsigned long *vm_flags)
{
        int we_locked = 0;
        struct page_referenced_arg pra = {
                .mapcount = total_mapcount(page),
                .memcg = memcg,
        };
        struct rmap_walk_control rwc = {
                .rmap_one = page_referenced_one,
                .arg = (void *)&pra,
                .anon_lock = page_lock_anon_vma_read,
        };

        *vm_flags = 0;
        if (!page_mapped(page))
                return 0;

        if (!page_rmapping(page))
                return 0;

        if (!is_locked && (!PageAnon(page) || PageKsm(page))) {
                we_locked = trylock_page(page);
                if (!we_locked)
                        return 1;
        }

        /*
         * If we are reclaiming on behalf of a cgroup, skip
         * counting on behalf of references from different
         * cgroups
         */
        if (memcg) {
                rwc.invalid_vma = invalid_page_referenced_vma;
        }

        rmap_walk(page, &rwc);
        *vm_flags = pra.vm_flags;

        if (we_locked)
                unlock_page(page);

        return pra.referenced;
}

 

page_referenced_one()

mm/rmap.c

/*
 * arg: page_referenced_arg will be passed
 */
static bool page_referenced_one(struct page *page, struct vm_area_struct *vma,
                        unsigned long address, void *arg)
{
        struct page_referenced_arg *pra = arg;
        struct page_vma_mapped_walk pvmw = {
                .page = page,
                .vma = vma,
                .address = address,
        };
        int referenced = 0;

        while (page_vma_mapped_walk(&pvmw)) {
                address = pvmw.address;

                if (vma->vm_flags & VM_LOCKED) {
                        page_vma_mapped_walk_done(&pvmw);
                        pra->vm_flags |= VM_LOCKED;
                        return false; /* To break the loop */
                }

                if (pvmw.pte) {
                        if (ptep_clear_flush_young_notify(vma, address,
                                                pvmw.pte)) {
                                /*
                                 * Don't treat a reference through
                                 * a sequentially read mapping as such.
                                 * If the page has been used in another mapping,
                                 * we will catch it; if this other mapping is
                                 * already gone, the unmap path will have set
                                 * PG_referenced or activated the page.
                                 */
                                if (likely(!(vma->vm_flags & VM_SEQ_READ)))
                                        referenced++;
                        }
                } else if (IS_ENABLED(CONFIG_TRANSPARENT_HUGEPAGE)) {
                        if (pmdp_clear_flush_young_notify(vma, address,
                                                pvmw.pmd))
                                referenced++;
                } else {
                        /* unexpected pmd-mapped page? */
                        WARN_ON_ONCE(1);
                }

                pra->mapcount--;
        }

        if (referenced)
                clear_page_idle(page);
        if (test_and_clear_page_young(page))
                referenced++;

        if (referenced) {
                pra->referenced++;
                pra->vm_flags |= vma->vm_flags;
        }

        if (!pra->mapcount)
                return false; /* To break the loop */

        return true;
}

 

 

참고

 

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