linux是一套免費(fèi)使用和自由傳播的類unix操作系統(tǒng)，是一個(gè)基于posix和unix的多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多cpu的操作系統(tǒng)。它能運(yùn)行主要的unix工具軟件、應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它支持32位和64位硬件。linux繼承了unix以網(wǎng)絡(luò)為核心的設(shè)計(jì)思想，是一個(gè)性能穩(wěn)定的多用戶網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。linux操作系統(tǒng)是企業(yè)和個(gè)人建站的優(yōu)選操作系統(tǒng)，根據(jù)西部數(shù)碼的虛擬主機(jī)租用數(shù)據(jù)顯示，采用linux系統(tǒng)比windows系統(tǒng)的用戶要高，相比windows，linux所支持的wordpress建站系統(tǒng)是用戶選擇它的最大原因。
今天我們來講解linux中的冷熱頁機(jī)制
什么是冷熱頁？
在linux kernel的物理內(nèi)存管理的buddy system中，引入了冷熱頁的概念。冷頁表示該空閑頁已經(jīng)不再高速緩存中了(一般是指l2 cache)，熱頁表示該空閑頁仍然在高速緩存中。冷熱頁是針對于每cpu的，每個(gè)zone中，都會針對于所有的cpu初始化一個(gè)冷熱頁的per-cpu-pageset.
為什么要有冷熱頁？
作用有3點(diǎn)：
buddy allocator在分配order為0的空閑頁的時(shí)候，如果分配一個(gè)熱頁，那么由于該頁已經(jīng)存在于l2 cache中了。cpu寫訪問的時(shí)候，不需要先把內(nèi)存中的內(nèi)容讀到cache中，然后再寫。如果分配一個(gè)冷頁，說明該頁不在l2 cache中。一般情況下，盡可能用熱頁，是容易理解的。什么時(shí)候用冷頁呢？while allocating a physical page frame, there is a bit specifying whether we would like a hot or a cold page (that is, a page likely to be in the cpu cache, or a page not likely to be there). if the page will be used by the cpu, a hot page will be faster. if the page will be used for device dma the cpu cache would be invalidated anyway, and a cold page does not waste precious cache contents.
簡單翻譯一下：當(dāng)內(nèi)核分配一個(gè)物理頁框時(shí)，有一些規(guī)范來約束我們是分配熱頁還是冷頁。當(dāng)頁框是cpu使用的，則分配熱頁。當(dāng)頁框是dma設(shè)備使用的，則分配冷頁。因?yàn)閐ma設(shè)備不會用到cpu高速緩存，所以沒必要使用熱頁。
buddy system在給某個(gè)進(jìn)程分配某個(gè)zone中空閑頁的時(shí)候，首先需要用自旋鎖鎖住該zone,然后分配頁。這樣，如果多個(gè)cpu上的進(jìn)程同時(shí)進(jìn)行分配頁，便會競爭。引入了per-cpu-set后，當(dāng)多個(gè)cpu上的進(jìn)程同時(shí)分配頁的時(shí)候，競爭便不會發(fā)生，提高了效率。另外當(dāng)釋放單個(gè)頁面時(shí)，空閑頁面首先放回到per-cpu-pageset中，以減少zone中自旋鎖的使用。當(dāng)頁面緩存中的頁面數(shù)量超過閥值時(shí)，再將頁面放回到伙伴系統(tǒng)中。
使用每cpu冷熱頁還有一個(gè)好處是，能保證某個(gè)頁一直黏在1個(gè)cpu上，這有助于提高cache的命中率。
冷熱頁的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
struct per_cpu_pages {
int count; // number of pages in the list
int high; // high watermark, emptying needed
int batch; // chunk size for buddy add/remove
// lists of pages, one per migrate type stored on the pcp-lists
每個(gè)cpu在每個(gè)zone上都有migrate_pcptypes個(gè)冷熱頁鏈表（根據(jù)遷移類型劃分）
struct list_head lists[migrate_pcptypes];
};在linux中，對于uma的架構(gòu)，冷熱頁是在一條鏈表上進(jìn)行管理。熱頁在前，冷頁在后。cpu每釋放一個(gè)order為0的頁，如果per-cpu-pageset中的頁數(shù)少于其指定的閾值，便會將釋放的頁插入到冷熱頁鏈表的開始處。這樣，之前插入的熱頁便會隨著其后熱頁源源不斷的插入向后移動，其頁由熱變冷的幾率便大大增加。
怎樣分配冷熱頁
在分配order為0頁的時(shí)候(冷熱頁機(jī)制只處理單頁分配的情況)，先找到合適的zone,然后根據(jù)需要的migratetype類型定位冷熱頁鏈表（每個(gè)zone，對于每個(gè)cpu,有3條冷熱頁鏈表，對應(yīng)于：migrate_unmovable、migrate_reclaimable、migrate_movable）。若需要熱頁，則從鏈表頭取下一頁（此頁最“熱”）；若需要冷頁，則從鏈表尾取下一頁（此頁最“冷”）。
分配函數(shù)（關(guān)鍵部分已添加注釋）：
/*
* really, prep_compound_page() should be called from __rmqueue_bulk(). but
* we cheat by calling it from here, in the order > 0 path. saves a branch
* or two.
*/
static inline
struct page *buffered_rmqueue(struct zone *preferred_zone,
struct zone *zone, int order, gfp_t gfp_flags,
int migratetype)
{
unsigned long flags;
struct page *page;
//分配標(biāo)志是__gfp_cold才分配冷頁
int cold = !!(gfp_flags & __gfp_cold);
again:
if (likely(order == 0)) {
struct per_cpu_pages *pcp;
struct list_head *list;
local_irq_save(flags);
pcp = &this_cpu_ptr(zone->pageset)->pcp;
list = &pcp->lists[migratetype];
if (list_empty(list)) {
//如果缺少頁，則從buddy system中分配。
pcp->count += rmqueue_bulk(zone, 0,
pcp->batch, list,
migratetype, cold);
if (unlikely(list_empty(list)))
goto failed;
}
if (cold)
//分配冷頁時(shí)，從鏈表尾部分配，list為鏈表頭，list->prev表示鏈表尾
page = list_entry(list->prev, struct page, lru);
else
//分配熱頁時(shí)，從鏈表頭分配
page = list_entry(list->next, struct page, lru);
//分配完一個(gè)頁框后從冷熱頁鏈表中刪去該頁
list_del(&page->lru);
pcp->count--;
} else {//如果order!=0(頁框數(shù)>1)，則不從冷熱頁鏈表中分配
if (unlikely(gfp_flags & __gfp_nofail)) {
/*
* __gfp_nofail is not to be used in new code.
*
* all __gfp_nofail callers should be fixed so that they
* properly detect and handle allocation failures.
*
* we most definitely don't want callers attempting to
* allocate greater than order-1 page units with
* __gfp_nofail.
*/
warn_on_once(order > 1);
}
spin_lock_irqsave(&zone->lock, flags);
page = __rmqueue(zone, order, migratetype);
spin_unlock(&zone->lock);
if (!page)
goto failed;
__mod_zone_page_state(zone, nr_free_pages, -(1 << order));
}
__count_zone_vm_events(pgalloc, zone, 1 << order);
zone_statistics(preferred_zone, zone, gfp_flags);
local_irq_restore(flags);
vm_bug_on(bad_range(zone, page));
if (prep_new_page(page, order, gfp_flags))
goto again;
return page;
failed:
local_irq_restore(flags);
return null;
}