mlock实现原理及应用

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mlock实现原理及应用

 

1 mlock简介

 

1) mlock（memory locking）是内核实现锁定内存的一种机制，用来将进程使用的部分或

全部虚拟内存锁定到物理内存。

2) mlock机制主要有以下功能：

a)被锁定的物理内存在被解锁或进程退出前，不会被页回收流程处理。

b)被锁定的物理内存，不会被交换到swap设备。

c)进程执行mlock操作时，内核会立刻分配物理内存（注意COW的情况）。

2 mlock原理

1) 每个进程都拥有一段连续的虚拟内存，内核并不是以整个虚拟内存为管理单位，而是将

整个虚拟内存划分为若干个虚拟内存区域。

2) 内核中使用vm_area_struct数据结构来管理虚拟内存区域，简称vma。vma管理虚拟内

存的方式如下图所示：

3)每一个vma代表一个已映射的、连续的且属性相同(如可读/写)的虚拟内存区域。内核采用链表和

AVL树形式管理vma，其中链表用于遍历，AVL树用来查找（VMA的两种数据结构组织形式，就像pid的三种组织形式一样）。

4)mlock操作会给相应的vma的vm_flags置一个VM_LOCKED标记，而这个标记则会影响到物理内存回收和交换。 

#define VM_LOCKED 0x00002000

5) Linux分配内存到page且只能按页锁定内存，所以指定的地址会被round down到下一个page的边界。

6) 当mlock锁定的虚拟内存区域跟现有vma管理的虚拟内存区域并不完全重合时，由于同一个vma的内存属性要求一致，而VM_LOCKED标记也是其属性，因此会导致现有的vma被合并或分割，如下图所示：

说明：

 a) prev与next是已受链表管理的vma结构，new是将要新加入链表的vma。

 b) 当new加入时，如果new的起始地址与prev的结束地址相同，且new属性与prev属性均为VM_LOCKED

，则将prev和new合并成prev’。

 c) 如果new的结束地址与next的起始地址有重合，但next属性是VM_EXEC，则next被分割成两部分，一部分加入

prev’，另一部分变成next’。

7) 操作系统通过LRU算法来管理Linux进程的虚拟内存，LRU算法主要通过两个页面标志

符（PG_active和 PG_referenced）来标识某个页面的活跃程度，

从而决定页面如何在两个链表（active_list和inactive_list）之间进行移动。

8)内核函数vmscan会遍历扫描active_list和inactive_list链表来回收页面。

9)内核在LRU算法中新增了一个unevictable_list链表，将不可回收的页面都放在unevictable_list

中，mlock的页面就被放在unevictable_list中，同时给该页置一个PG_mlocked标记。

注：除了mlock的页，ramdisk或ramfs页以及共享内存映射的页也被放入unevictable_list中。

10) 解锁并不立刻将解锁的页回收，而是将解锁的页放回active_list或inactive_list链表，然后交由页回收流程处理，所以mlock的页不会被页回收流程处理。

11)由于线程共享进程资源，所以线程的vma将继承VM_LOCKED标记。但fork后的子进程的vma并不继承VM_LOCKED

标记，以及调用exec执行其它程序时，不继承VM_LOCKED标记。

3 mlock函数

mlock机制通过提供四个函数来使用，如下所示：

注：

1)上述函数只能由root用户执行。

2) mlock操作不可叠加，多次调用mlock的一段内存会被一次unlock解锁。

3) 锁定进程所有映射到地址空间的数据包括：代码、数据、栈片段分页，共享库、用户空间内核数据、

共享内存以及内存映射的文件

4 mlock应用

1) mlock机制在虚拟化中的应用

libvirt已提供对mlock支持,可以通过在Guest的xml文件中添加如下内容来开启qemu-kvm进程的mlock

机制

<memoryBacking> 

<locked/> 

</memoryBacking> 

 

注：默认情况下qemu-kvm进程中的mlock选项是关闭的。

2) mlock机制在实时环境下的应用 

mlocked  访问内存产生page fault次数 访问内存时间开销

on  1  低

off  >1  高

说明：

a) 采用mlock机制时，仅在虚拟内存和物理内存建立映射关系时产生一次page fault。

b) 未采用mlock机制时，每当访问不同的虚拟内存单元时，就会产生一次page fault。

 

3) mlock机制在多线程环境下的应用

mlocked  线程栈空间映射物理内存大小 映射物理内存时间开销

on  10MB  高

off  1MB  低

注： 

a) 假设线程整个栈空间大小10MB，其中1MB空间已使用。

b) 假设10MB虚拟内存和物理内存建立映射关系耗时1ms，1MB虚拟内存和物理内存建立映射关系

耗时0.1ms。

说明： 

当进程涉及多线程操作时：

a) 采用mlock机制时，线程整个栈空间10MB会被映射到物理内存，若一个进程中有2000

个线程，则线程栈空间和物理内存建立映射关系共耗时2000ms。

b) 未采用mlock机制时，线程栈空间已使用的1MB会被映射到物理内存，若一个进程中有2000

个线程，则线程栈空间和物理内存建立映射关系共耗时200ms。