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Understanding The

Linux Virtual Memory Manager

Mel Gorman

15th February 2004

CONTENTS 3

5.3 Process Address Space Descriptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.4 Memory Regions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.5 Exception Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.6 Page Faulting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.7 Copying To/From Userspace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

6 Boot Memory Allocator 80

6.1 Representing the Boot Map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

6.2 Initialising the Boot Memory Allocator . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

6.3 Allocating Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

6.4 Freeing Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

6.5 Retiring the Boot Memory Allocator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

7 Physical Page Allocation 90

7.1 Managing Free Blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

7.2 Allocating Pages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

7.3 Free Pages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

7.4 Get Free Page (GFP) Flags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

7.5 Avoiding Fragmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

8 Non-Contiguous Memory Allocation 100

8.1 Describing Virtual Memory Areas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

8.2 Allocating A Non-Contiguous Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

8.3 Freeing A Non-Contiguous Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

9 Slab Allocator 104

9.1 Caches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

9.2 Slabs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

9.3 Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

9.4 Sizes Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

9.5 Per-CPU Object Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

9.6 Slab Allocator Initialisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

9.7 Interfacing with the Buddy Allocator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

10 High Memory Management 130

10.1 Managing the PKMap Address Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

10.2 Mapping High Memory Pages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

10.3 Mapping High Memory Pages Atomically . . . . . . . . . . . . . . . . 133

10.4 Bounce Buﬀers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

10.5 Emergency Pools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

11 Page Frame Reclamation 138

11.1 Pageout Daemon (kswapd) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

11.2 Page Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

11.3 Manipulating the Page Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

11.4 Shrinking all caches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

List of Figures

2.1 Example Patch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.1 Relationship Between Nodes, Zones and Pages . . . . . . . . . . . . . 27

4.1 Linear Address Bit Size Macros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.2 Linear Address Size and Mask Macros . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.3 Page Table Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.4 Call Graph: paging_init() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5.1 Kernel Address Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.2 Data Structures related to the Address Space . . . . . . . . . . . . . 57

5.3 Memory Region Flags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.4 Call Graph: sys_mmap2() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.5 Call Graph: get_unmapped_area() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5.6 Call Graph: insert_vm_struct() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.7 Call Graph: sys_mremap() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.8 Call Graph: move_vma() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.9 Call Graph: move_page_tables() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

5.10 Call Graph: sys_mlock() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.11 Call Graph: do_munmap() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.12 Call Graph: do_page_fault() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.13 Call Graph: handle_mm_fault() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

5.14 Call Graph: do_no_page() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

5.15 Call Graph: do_swap_page() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

5.16 Call Graph: do_wp_page() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

5.17 do_page_fault Flow Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

6.1 Call Graph: setup_memory() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

6.2 Call Graph: __alloc_bootmem() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

6.3 Call Graph: mem_init() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

7.1 Free page block management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

7.2 Allocating physical pages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

7.3 Call Graph: alloc_pages() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

7.4 Call Graph: __free_pages() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

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