Разработка ядра Linux

Большей частью, только аппаратным устройствам необходимо выделение физически непрерывных участков памяти. Аппаратные устройства существуют по другую сторону модуля управления памятью и не "понимают" виртуальной адресации. Следовательно, все области памяти, с которыми работают аппаратные устройства, должны состоять из физически смежных блоков, а не из виртуально непрерывных участков. Для участков памяти, которые используются только программным обеспечением, например буферы памяти, связанные с процессами, прекрасно подходят области памяти, которые только виртуально непрерывны. При программировании заметить разницу невозможно. Это связано с тем, что память ядром воспринимается как логически непрерывная.

Несмотря на то что физически смежные страницы памяти необходимы только в определенных случаях, большая часть кода ядра использует для выделения памяти функцию kmalloc, а не vmalloc. Это, в основном, делается из соображений производительности. Для того чтобы физически несмежные страницы памяти сделать смежными в виртуальном адресном пространстве, функция vmalloc должна соответствующим образом заполнить таблицы страниц. Хуже того, страницы памяти, которые получаются с помощью функции vmalloc, должны отображаться посредством страниц памяти, которые принадлежат к таблицам страниц (потому что выделяемые страницы памяти физически несмежные). Это приводит к значительно менее эффективному использованию буфера TLB [64] , чем в случае, когда страницы памяти отображаются напрямую. Исходя из этих соображений функция vmalloc используется только тогда, когда она абсолютно необходима, обычно это делается для выделения очень больших областей памяти. Например, при динамической загрузке модулей ядра, модули загружаются в память, которая выделяется с помощью функции vmalloc.

64

Буфер TLB (translation lookside buffer или буфер быстрого преобразования адреса) — это аппаратный буфер памяти, который используется в большинстве аппаратных платформ для кэширования отображений виртуальных адресов памяти в физические адреса. Этот буфер позволяет существенно повысить производительность системы, так как большинство операций доступа к памяти выполняются с использованием виртуальной адресации.

Функция vmalloc объявлена в файле <linux/vmalloc.h> и определена в файле mm/vmalloc.с. Использование этой функции аналогично функции malloc пространства пользователя.

void *vmalloc(unsigned long size);

Функция возвращает указатель на виртуально непрерывную область памяти размером по крайней мере size байт. В случае ошибки эта функция возвращает значение NULL. Данная функция может переводить процесс в состояние ожидания и соответственно не может вызываться в контексте прерывания или в других ситуациях, когда блокирование недопустимо.

Для освобождения памяти, выделенной с помощью функции vmalloc, необходимо использовать функцию

void vfree(void *addr);

Эта функция освобождает участок памяти, который начинается с адреса addr и был ранее выделен с помощью функции vmalloc. Данная функция также может переводить процесс в состояние ожидания и поэтому не может вызываться из контекста прерывания. Функция не возвращает никаких значений.

Использовать рассмотренные функции очень просто. Например, следующим образом.

char *buf;

buf = vmalloc(16 * PAGE_SIZE); /* получить 16 страниц памяти */
if (!buf)
 /* ошибка! Не удалось выделить память */
/*
* переменная buf теперь указывает на область памяти
* размером, по крайней мере, 16*PAGE_SIZE байт, которая состоит
* из виртуально смежных блоков памяти
*/

После того как память больше не нужна, необходимо убедиться, что она освобождается с помощью следующего вызова.

vfree(buf);

Уровень слябового распределителя памяти

Выделение и освобождение структур данных — это одна из наиболее частых операций, которые выполняются в любом ядре. Для того чтобы облегчить процедуру частого выделения и освобождения данных при программировании, вводятся списки свободных ресурсов (free list). Список свободных ресурсов содержит некоторый набор уже выделенных структур данных. Когда коду необходим новый экземпляр структуры данных, он может взять одну структуру из списка свободных ресурсов, вместо того чтобы выделять необходимый объем памяти и заполнять его данными соответствующей структуры. Позже, когда структура данных больше не нужна, она снова возвращается в список свободных ресурсов, вместо того чтобы освобождать память. В этом смысле список свободных ресурсов представляет собой кэш объектов, в котором хранятся объекты одного определенного, часто используемого типа.

Одна из наибольших проблем, связанных со списком свободных ресурсов в ядре, это то, что над ними нет никакого централизованного контроля. Когда ощущается недостаток свободной памяти, нет никакой возможности взаимодействовать между ядром и всеми списками свободных ресурсов, которые в такой ситуации должны уменьшить размер своего кэша, чтобы освободить память. В ядре нет никакой информации о случайно созданных списках свободных ресурсов. Для исправления положения и для универсальности кода ядро предоставляет уровень слябового распределения памяти (slab layer), который также называется просто слябовым распределителем памяти (slab allocator). Уровень слябового распределения памяти выполняет функции общего уровня кэширования структур данных.

Концепции слябового распределения памяти впервые были реализованы в операционной системе SunOS 5.4 фирмы Sun Microsystems [65] . Для уровня кэширования структур данных в операционной системе Linux используется такое же название и похожие особенности реализации.

Уровень слябового распределения памяти служит для достижения следующих целей.

• Часто используемые структуры данных, скорее всего, будут часто выделяться и освобождаться, поэтому их следует кэшировать.

65

И позже документированы в работе Bonwirk J. "The Slab Allocator: An Object-Caching Kernel Memory Allocator," USENIX, 1994.

• Частые операции выделения и освобождения памяти могут привести к фрагментации памяти (к невозможности найти большие участки физически однородной памяти). Для предотвращения этого, кэшированные списки свободных ресурсов организованы непрерывным образом в физической памяти. Так как структуры данных возвращаются снова в список свободных ресурсов, то в результате никакой фрагментации не возникает.

• Список свободных ресурсов обеспечивает улучшенную производительность при частых выделениях и освобождениях объектов, так как освобожденные объекты сразу же готовы для нового выделения.

• Если распределитель памяти может использовать дополнительную информацию, такую как размер объекта, размер страницы памяти и общий размер кэша, то появляется возможность принимать в критических ситуациях более интеллектуальные решения.

• Если кэш организован, как связанный с определенным процессором (т.е. для каждого процессора в системе используется свой уникальный отдельный кэш), то выделение и освобождение структур данных может выполняться без использования SMP-блокировок.

• Если распределитель памяти рассчитан на доступ к неоднородной памяти (Non-Uniform Memory Access NUMA), то появляется возможность выделения памяти с того же узла (node), на котором эта память запрашивается.

• Хранимые объекты могут быть "окрашены", чтобы предотвратить отображение разных объектов на одни и те же строки системного кэша.

Уровень слябового распределения памяти в ОС Linux был реализован с учетом указанных принципов.

Устройство слябового распределителя памяти

Уровень слябового распределения памяти делит объекты на группы, которые называются кэшами (cache). Разные кэши используются для хранения объектов различных типов. Для каждого типа объектов существует свой уникальный кэш. Например, один кэш используется для дескрипторов процессов (список свободных структур struct task_struct), а другой — для индексов файловых систем (struct inode). Интересно, что интерфейс kmalloc построен на базе уровня слябового распределения памяти и использует семейство кэшей общего назначения.