宋宝华：Linux内核中用GFP_ATOMIC申请内存究竟意味着什么？

本文目的

本文补充校正一些Linux内核开发者关于GFP_ATOMIC的认知不完整的地方，阐述GFP_ATOMIC与free内存watermark的关系，并明确什么时候应该用GFP_ATOMIC申请内存。目录：

1. GFP_ATOMIC vs. GFP_KERNEL

2. 内存水位，PF_MEMALLOC和GFP_ATOMIC

3. 何时使用GFP_ATOMIC（一个patch分析）

GFP_ATOMIC vs. GFP_KERNEL

我们都知道，在中断、软中断、spinlock等原子上下文里面，申请内存，应该使用GFP_ATOMIC标记，譬如内核中有大量的kmalloc/GFP_ATOMIC的例子：

对于不可睡眠的上下文，如果我们用常规的GFP_KERNEL这样的标记去申请内存，可能引发直接的内存reclaim，从而引起睡眠，所以GFP_KERNEL这种标记只适合进程上下文调用：

GFP_KERNEL的标记可以引发直接的内存回收，从而导致进程阻塞睡眠，这在原子上下文显然是不允许的。

#define GFP_KERNEL     \
 (__GFP_RECLAIM | __GFP_IO | __GFP_FS)
 
 #define __GFP_RECLAIM \
 ((__force gfp_t)(___GFP_DIRECT_RECLAIM|___GFP_KSWAPD_RECLAIM)

内存水位，PF_MEMALLOC和GFP_ATOMIC

那么GFP_ATOMIC是否仅仅意味着不能睡眠呢？档案是否定的，GFP_ATOMIC还与内存reclaim的水位相关。下面这个图是讲述水位watermark的一个著名的图，笔者懒得画了，直接从网下copy过来：

在Linux中，内存有3个水位：

• HIGH: 系统的free内存大于HIGH水位的时候，是一个相对保险的值，不需要急着做内存回收（reclaim）；
• LOW: 系统的free内存达到LOW水位的时候，启动后台kswapd进行内存回收，回收的目标是让空闲内存达到HIGH水位；
• MIN：系统应该保有的最小free内存，当空闲内存达到这个值的时候，kswapd的后台回收可能来不及了，一般用户在申请内存的时候，进行DIRECT RECLAIM。

min水位一般是系统自动换算的，其具体值可以从/proc看出：

# cat /proc/sys/vm/min_free_kbytes 
45056

而LOW水位一般是min*125%，HIGH 一般是min*150%。

MIN水位以下的内存，只能被紧急情况下的用户申请到，最著名的紧急用户莫过于PF_MEMALLOC用户，task_struct设置了这个标记表示忽略MIN水位。比如回收内存的代码本身也可能需要申请内存，这个时候我们应该给它无限制的申请能力。典型地，比如kswapd就设置了这个标记，这个代码里面的注释也非常精彩：

如果我们不允许回收内存的代码申请min以下的内存，则回收内存的代码可以触发回收内存，这样“子子孙孙，无穷匮也”。

当然，PF_MEMALLOC不是唯一的紧急用户，GFP_ATOMIC实际也是一个“半紧急”任务：

• 说它“紧急”，是因为如果原子上下文申请内存失败，往往意味着相应的中断、软中断、spinlock内部的代码就会执行失败，而我们又不会因为这种失败，而去尝试内存回收，这显然比较惨，我们应该尽可能让GFP_ATOMIC申请成功；
• 说它“半”，是因为它不至于紧急到PF_MEMALLOC这个程度，如果我们给它无限地申请到free内存为0的权力，则会导致PF_MEMALLOC没有内存了。想想，如果征粮队的人都饿死了，还怎么去征粮呢？

所以，内存的设计选择是，当有人用GFP_ATOMIC申请内存的时候，允许它从MIN水位以下，申请一定数量的内存。什么叫“一定数量”呢？就是不能让GFP_ATOMIC导致free 内存触底，GFP_ATOMIC还包含了高优先级的含义：

#define GFP_ATOMIC    \  
(__GFP_HIGH|__GFP_ATOMIC|__GFP_KSWAPD_RECLAIM)

注意这个里面的__GFP_HIGH不是HIGHMEM高端内存的意思，而是高优先级。

当我们用GFP_ATOMIC申请内存的时候，内核的水位检查代码，会允许我们触及到MIN水位以下的1/2：

那么，“魔鬼”就是在画红圈的2行代码。但是，如果我们进一步深究，会发现，GFP_ATOMIC不只是触及1/2*min，它甚至可以触及1/4*min，因为GFP_ATOMIC中的__GFP_HIGH让ALLOC_HIGH成立，而__GFP_ATOMIC让ALLOC_HARDER成立：

所以，“魔鬼”又隐藏在了gfp_to_alloc_flags()的细节里。

一个patch的例子

在具体的工程实战中，我们建议：

• 原子上下文使用GFP_ATOMIC

比如在网络设备驱动drivers/net/ethernet中，就有大量的案例

• 在内存紧急的路径上（比如不想睡眠，要求低延迟；或者要求内存吃紧的情况下，仍然可以从min水位以下申请内存），哪怕是进程上下文，我们也建议可以考虑使用GFP_ATOMIC

比如田涛童鞋最近在mm/zswap.c发的RFC patch：

https://lore.kernel.org/linux-mm/1608894171-54174-2-git-send-email-tiantao6@hisilicon.com/

上面2个地方，其实都是可以睡眠的进程上下文，但是我们认为在frontendswap的路径上，我们对延迟敏感，对swap内存过程中进一步引发内存回收也担忧，因此，这里哪怕是非原子上下文，我们也没有使用GFP_KERNEL。