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DAY 18
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當你凝視linux, linux也在凝視你系列 第 18

Day18 page fault, LRU, second chance

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前言

前幾天我們講到的都是關於虛擬記憶體的資訊,包含VMA的結構,malloc() , mmap() 等等,但是究竟虛擬記憶體該如何跟實體記憶體有實際的連結,怎麼在 mmap() 之後,讓實體記憶體能夠拿到資料,那就是今天要講的內容 分頁錯誤(page fault) ,以及當實體記憶體的位置不足時,要選擇某些分頁移回 swap space的方法。

分頁錯誤(page fault)

在前兩天借到 malloc()mmap() 兩個函數,他們只會在使用者空間內分配虛擬記憶體,但是沒有實際建立虛擬記憶體與實體記憶體的映射關係,當CPU沒有辦法存取實體記憶體的時候就會發生分頁錯誤(page fault)。
觸發 Page Fault 的原因主要歸類為幾大類:

  1. 使用共享記憶體的區域,但是還不存在虛擬位址與實體位址的對應,而產生的分頁錯誤,這種錯誤只要在分頁表中建立對應關係就好了。
  2. 訪問的地址在實體記憶體中不存在,需要從硬碟或是 swap分割槽讀入才能使用,這種效能影響比較大,因為磁碟讀取的速度真的太慢了。
  3. 訪問的記憶體位址非法,缺頁錯誤會進而引發 SIGSEGN 訊號結束程序,這種分頁錯誤會導致行程直接關閉。
    在 Linux 中會利用 do_page_fault 函數進行處理。
static int __kprobes do_page_fault(unsigned long addr, unsigned int esr,
				   struct pt_regs *regs)

addr : 代表分頁異常發生時的虛擬位址,由FSR提供
esr :代表發生時的異常狀態,由ESR提供
regs:發生時的pt_regs。

記憶體回收

在Linux 中當記憶體充足的時候,kernel會盡量使用記憶體當作 page cache,進而提高系統的性能,這個頁面會加入到文件類型的 LRU鏈表中,當記憶體不足時,page cache的介面會被捨際,或是把已經丟改過的page cache介面寫回到儲存設備中,寫完便可釋放該區段的記憶體,這個行為叫做記憶體回收(page reclaim)。Linux 中採用的記憶體回收演算法,主要是LRU演算法,和二次機會法(second chance)。

LRU演算法

LRU 是 Least Recently Used 的縮寫,意味著最近最少使用,在Linux核心中使用雙項鏈表實作LRU鏈表,並且根據分頁的類型將LRU鏈表分為 LRU_ANON 和 LRU_FILE ,這兩種列表又各自有活躍LRU鏈表與不活躍LRU鏈表,再加上不可回收頁面鏈表,所以Linux核心中總共有五個LRU鏈表。
之所以要分為五種,是因為當記憶體不足時,會優先換出LRU_FILE鏈表中的頁面,而不是 LRU_ANON的頁面,因為大多數情況下的FILE是不需要寫回硬碟,除非在使用過程中有某部分被修改才需要重新寫回。
因為是一個雙向鏈表,所以可以利用 head-> prev得到尾鏈表最尾端的node。示意圖如下。

二次演算法

第二次機會演算法在經典的LRU上做了改進,在LRU設計中,並不會考慮該頁面是否頻繁被使用,如果某個頻繁使用的頁面,因為有多個新頁面進入而被擠到鏈表的最尾端,他仍然有機會被換出,在某些情況下,會浪費許多的資源。
二次機會演算法是基於LRU演算法的狀態下,在頁面內多加入一個標記,如果這個是0代表這個頁面是可以被替換的,如果這個頁面是1 就給他第二次機會,並且判斷下一個頁面是否能夠被換出,依序往下,直到找到可以被換出的頁面。當給了某個頁面第二次機會時,該標記會由1改為0;當某個頁面再次被使用時,把0恢復為1,因此某個頻繁被使用的頁面他的標記會時常保持為1,也就不那麼容易被換出了。

OOM killer 機制

當上述兩個回收機制也不能滿足記憶體需求時,OOM killer就是最後一道防線了,他會選擇記憶體佔用量比較高的行程進行終止,進而釋放記憶體。


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