# 水线

既然谈到了内存的回收再利用，那么就一定有这么一个标准：

> 什么时候开始回收，什么时候结束回收

在内核中这个标准就是 **水线**。

## 水线的含义

水线定义在每个zone上，如下简易示意图所示。

```
    struct zone
    +------------------------------+
    |watermark[NR_WMARK]           |
    |   (unsigned long)            |
    +------------------------------+
```

一共有三条水线：min, low, high。那这三条水线是什么含义呢？用一张图来解释应该比较清楚：

![watermark](/files/-M6kt-q6OZs5ntWrugsf)

从这张图上我们可以看出：

* 当内存容量小于低位水线，则开始启动kswapd回收内存
* 当内存容量小于最小水线，则开启直接回收
* 当内存容量高于高位水线，则kswapd可以休息

概念上还是很清楚的。

## 水线的计算

水线的计算在函数setup\_per\_zone\_wmarks()中完成。不仅启动时会计算，还会在某些参数调整时再次计算。

启动时计算流程参见[初始化流程](/kernel-exploring/nei-cun-guan-li/00-memory_a_bottom_up_view/02-memblock.md)

整个计算过程其实不难，让我用伪代码解释一下：

```
  zone->_watermark[min] = (current zone lowmem * pages_min) / total lowmem
                        = (current zone lowmem / total lowmem) * pages_min
                        = (proportionate to the zone's size) * pages_min
  then we can get
  =>  sum(zone->_watermark[WMARK_MIN]) = pages_min
```

首先系统启动时会计算出整个系统内存保留的最小值： pages\_min。这个计算在init\_per\_zone\_wmark\_min()完成。 最低水线的计算依赖于这个值。每个zone的最低水线 = (当前zone的lowmem \* pages\_min) / total lowmem。

这意味着系统上所有zone的最小水线之和 = pages\_min 也就是整个系统想要最少预留的内存。

PS: 这个pages\_min的当前值可以从/proc/sys/vm/min\_free\_kbytes查看，不过需要转换一下。

接着就是计算低位和高位水线了：

```
   tmp = (zone_managed_pages(z) * watermark_scale_factor) / 10000

   zone->_watermark[WMARK_LOW]  = min_wmark_pages(zone) + tmp;
   zone->_watermark[WMARK_HIGH] = min_wmark_pages(zone) + tmp * 2;
```

可以看到这三个水线之间的距离是相同的，而这个距离则是当前zone内存容量的一个比例。默认这个比例是0.1%。

PS: 这里的watermark\_scale\_factor也可以从/proc/sys/vm/watermark\_scale\_factor查看。

好了，是不是挺简单的了。

### min\_free\_kbytes

在水线计算过程中，我们可以看到依赖了一个值pages\_min。而这个值是从min\_free\_kbytes转换来的。

min\_free\_kbytes是在calculate\_min\_free\_kbytes()中计算得到。实际公式很简单，在注释中已经给出了。

```
 	min_free_kbytes = sqrt(lowmem_kbytes * 16)
```

而这个lowmem\_kbytes实际是从nr\_free\_buffer\_pages()得到的，可以认为就是所有buddy管理的内存。

### 水位查看

了解了计算过程，我们也可以来看看当前系统中真实设置的值。这个信息可以在/proc/zoneinfo中查到。

```
Node 0, zone   Normal
  pages free     2761
        boost    1459
        min      1946
        low      2189
        high     2432
        spanned  262144
        present  262144
        managed  243597
```

其中managed的页有243597，那么默认情况0.1%就是243个page。从上面的数据看，正好符合这个公式。

```
low  = min + 243
high = low + 243
```

然后我们看一下这个水位对一个zone究竟是什么比例。

```
min      1946      = 7.6M
low      2189      = 8.5M
high     2432      = 9.5M
managed  243597    = 951M
```

可以看到，对一个1G的zone来讲，高水位也就10M，而每个水位之间间隔1M。 这么看，要唤醒kswapd，那是内存已经非常紧张的时候了。

### 水线的调整

水线是可以调整的，这样可以让系统保有更多的内存可以使用。方法就是通过上面提到的两个文件

* /proc/sys/vm/min\_free\_kbytes
* /proc/sys/vm/watermark\_scale\_factor

前者抬高低水位，后者加大水位之间的间隔。

具体的效果可以从/proc/zoneinfo文件里查看，这里就不做具体展示了。

## lowmem\_reserve

除了水线，还有一个概念控制着什么时候进行内存回收 -- lowmem\_reserve。准确的来说应该是这是水线的组成部分。

在判断水线的函数\_\_zone\_watermark\_ok()中，我们可以看到这么一个判断：

```
    /*
     * Check watermarks for an order-0 allocation request. If these
     * are not met, then a high-order request also cannot go ahead
     * even if a suitable page happened to be free.
     */
    if (free_pages <= min + z->lowmem_reserve[classzone_idx])
      return false;
```

也就是空闲页需要大于 水线(min) + lowmem\_reserve\[]才能算是水线达标。那么我们就来看看这个lowmem\_reserve是怎么计算的吧。

setup\_per\_zone\_lowmem\_reserve()是设置lowmem\_reserve\[]的函数，让我们用一张图来展示一下这个概念：

```
        +-------------+-------------+------------+------------+
  lr[3] |mp[3] + mp[2]|mp[3] + mp[2]|mp[3]       |     0      |
        |+ mp[1] /    |   /         |   /        |            |
        |ra[0]        |ra[1]        |ra[2]       |            |
        +-------------+-------------+------------+------------+
  lr[2] |mp[2] + mp[1]|mp[2]        |     0      |   N/A      |
        |   /         |   /         |            |            |
        |ra[0]        |ra[1]        |            |            |
        +-------------+-------------+------------+------------+
  lr[1] |mp[1]        |     0       |   N/A      |   N/A      |
        |   /         |             |            |            |
        |ra[0]        |             |            |            |
        +-------------+-------------+------------+------------+
  lr[0] |     0       |   N/A       |   N/A      |   N/A      |
        |             |             |            |            |
        |             |             |            |            |
        +-------------+-------------+------------+------------+
        Zone[0]       Zone[1]      Zone[2]      Zone[3]
```

其中采用的缩写标示为：

* mp\[i]: managed pages of zone\[i]
* ra\[i]: sysctl\_lowmem\_reserve\_ratio\[i]
* lr\[i]: lowmem\_reserve\[i]

这么看来 zone.lowmem\_reserve\[i]的含义是**如果要在zone上分配 zone\[i]的内存，而此时zone上的内存小于zone.lowmem\_reserve\[i] + watermark，那么这个分配将出发回收动作。**.

隔了一段时间来看，自己都看不懂了。让我来展开讲一下，希望下次自己能看懂。

上面这个图竖着看，每一列代表了一个zone上的lowmem\_reserve\[]数组。比如我们拿第一列Zone\[0]来看。

```
        +-------------+
  lr[3] |mp[3] + mp[2]|
        |+ mp[1] /    |
        |ra[0]        |
        +-------------+
  lr[2] |mp[2] + mp[1]|
        |   /         |
        |ra[0]        |
        +-------------+
  lr[1] |mp[1]        |
        |   /         |
        |ra[0]        |
        +-------------+
  lr[0] |     0       |
        |             |
        |             |
        +-------------+
        Zone[0]
```

正常我们期望的是用户想要分配Zone\[0]的内存时，才会真的到Zone\[0]上分配内存。所以此时的lr\[0]等于0,表示当我们在Zone\[0]上分配Zone\[0]内存时，不需要再额外保留内存了。

但是有时候（估计这种情况不多），用户想要从Zone\[3]上分配内存，但是因为各种原因没法满足，page allocator就会遍历zonelists往低zone去尝试分配。假如此时走到了Zone\[0]，那么就会在低位水线上是否还有额外的lr\[3]的空闲内存。如果没有了，则会触发回收。


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