内存管理篇-06Per-CPU页帧缓存

per-CPU缓存是对伙伴系统的完善，也是伙伴系统中的一部分。再回顾一下zone结构体的内容，这里的__percpu *pageset实际上就是Per-CPU的实现机制，所以这里的内存实际上最少有三部分，（1）free_area管理了大部分的公共伙伴系统内存；（2）lowmem_reserve预留了一部分；（3）然后就是__percpu *pagset这里对每个CPU都分配一部分管理起来：

1.per-CPU缓存的定义

是一种缓存机制，对伙伴系统的完善。由于伙伴系统管理的页面都是全局的，每个进程在申请页面的时候都需要加锁解锁等操作，极大的引入了开销。为了提高效率就引入页帧缓存，为每个cpu提供一个变量指针__percpu *pageset（定义在struct zone），这样每个cpu就不用去加锁解锁申请，直接使用本地物理页面。

把单个物理页面的申请和释放做成缓存，每个cpu都有这个链表。给每个cpu本地定义一个页表，维护这样一个变量。因此，不需要去全局伙伴系统上去申请释放。

2.核心结构体和实现

可以理解为struct zone 把内存分为了几大块，__percpu *pageset指针(每个CPU都有这么一个指针)，指向了一片内存区域。这片区域不需要再各个CPU之间进行同步，struct list_head list $3$ , 指向了三种不同页表链表（可移动的，不可移动的，可回收的），并且三个链表都是的块大小都是4KB。

3.每个CPU分配缓存如何实现

struct per_cpu_pageset __percpu *pageset;这里就是宏，在每个CPU定义这样一个变量，并且每个CPU自己申请和释放内存的时候，不会去从伙伴系统申请释放内存，而是从自己的缓存中。。

在 Linux 内核中，__percpu 是一个特殊的类型修饰符，用于表示一个变量在每个 CPU 上都有一个独立的副本。struct per_cpu_pageset 是一个用于在每个 CPU 上维护一个页面集合的数据结构。这种机制允许每个 CPU 在本地访问页面集合，从而减少跨 CPU 的同步开销。在内核启动时，为每个 CPU 分配一个 struct per_cpu_pageset 的实例，并将其指针存储在一个全局数组中。通过调用 get_cpu_var() 函数来访问当前 CPU 的 struct per_cpu_pageset 实例。访问完之后，通常需要调用 put_cpu_var() 函数来释放对 struct per_cpu_pageset 的引用。

4.使用示例

cpp 复制代码

#include <linux/percpu.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/spinlock.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/mmzone.h>

#define NR_PERCPU_PAGES 16

struct per_cpu_pageset {
    spinlock_t lock;
    struct page *pages[NR_PERCPU_PAGES];
    unsigned long nr_pages;
};

static DEFINE_PER_CPU(struct per_cpu_pageset *, pageset);

static void init_per_cpu_pageset(void)
{
    int cpu;

    for_each_possible_cpu(cpu) {
        struct per_cpu_pageset *ps = alloc_percpu(struct per_cpu_pageset);
        if (!ps) {
            printk(KERN_ERR "Failed to allocate per-cpu pageset\n");
            continue;
        }

        ps->nr_pages = 0;
        spin_lock_init(&ps->lock);
        per_cpu(pageset, cpu) = ps;
    }
}

static void release_per_cpu_pageset(void)
{
    int cpu;

    for_each_possible_cpu(cpu) {
        free_percpu(per_cpu(pageset, cpu));
    }
}

static void add_page_to_set(struct page *page)
{
    int cpu = raw_smp_processor_id();
    struct per_cpu_pageset *ps = per_cpu(pageset, cpu);

    spin_lock(&ps->lock);

    // 检查是否还有空间添加页面
    if (ps->nr_pages < NR_PERCPU_PAGES) {
        ps->pages[ps->nr_pages++] = page;
    } else {
        printk(KERN_WARNING "Per-CPU pageset full on CPU %d\n", cpu);
    }

    spin_unlock(&ps->lock);
}

static void remove_page_from_set(struct page *page)
{
    int cpu = raw_smp_processor_id();
    struct per_cpu_pageset *ps = per_cpu(pageset, cpu);
    int i;

    spin_lock(&ps->lock);

    // 查找页面并移除
    for (i = 0; i < ps->nr_pages; i++) {
        if (ps->pages[i] == page) {
            ps->pages[i] = ps->pages[--ps->nr_pages];
            break;
        }
    }

    spin_unlock(&ps->lock);
}

static int __init init_module(void)
{
    init_per_cpu_pageset();
    return 0;
}

static void __exit cleanup_module(void)
{
    release_per_cpu_pageset();
}

module_init(init_module);
module_exit(cleanup_module);