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Some great articles to learn memory management

這半年來在工作上負責開發一個在Linux核心中的記憶體管理模組,主要用來處理視訊記憶體的需求。在開發的過程閱讀了不少資料,我將其中不錯的文章整理一下,或許對剛接觸的朋友會有點幫助:
  1. Memory management reference(MMR):這個網站非常適合新手入門記憶體管理。其中的幾篇入門文章寫得尤其好。從overview可以知道記憶體管理的技術範圍,從allocation可以知道malloc()/free()的基本實作手法與優缺點,從recycling則可以知道常見的garbage collection機制。
  2. Inside memory management(IMM):閱讀過MMR的基礎文章後,就可以從不同的角度去獨立學習。這篇文章講的是如何在Linux上實現一組最簡單的malloc()/free()。
  3. Buddy memory allocation(BMA):IMM這篇文章實現了簡單的記憶體配置,但馬上也面臨到嚴重的external fragmentation的問題,減緩的手法之一是透過buddy memory allocation,wikipedia上的說明非常清楚,實作的話可以參考對岸好手雲風的設計。
  4. Slab allocator:BMA的方式一定程度的減緩了external fragmentation,但卻也令小塊記憶體配置頻繁時的internal fragmentation的情況變得嚴重,解決手法很多,slab allocator試著解決這個問題,並提升了效能。實作方式可以參考libumem。
  5. What every programmer should know about memory:如果你想要深入學習記憶體管理技術,那麼從記憶體的硬體模組、計算機架構、作業系統的角度切入是不可或缺的,但是從頭閱讀數本教科書然後截取出跟記憶體相關章節有點累人,好在glibc的維護者寫了一篇好文章,介紹程式設計師所應該知道的基礎。
  6. 閱讀Linux source code:我是在有了前面這些基礎後,重新看Linux相關書籍與記憶體管理技術才有較深入的理解,包括MMU、page cache、hot-n-cold page、slab framework、swap...,畢竟Linux kernel hacker對很多名詞與概念都已經熟到相當程度,所以設計的許多機制都經過了好幾層的思考,在一頭栽入龐大的架構之前,先鍛鍊好基礎吧!
當然,記憶體管理的相關研究非常的多,永遠都有值得研究的新東西,在不同的workload下,不同的手法會有驚人的差異,沒有哪個手法是絕對性的勝利。另外,當garbage collection、multicore、分散式系統...引入後,都會讓記憶體管理的議題變得更複雜,好的記憶體管理手法往往扮演提升系統效能的核心角色。上述幾篇文章頂多只能算是進入到記憶體"配置"的大門,其他有趣的記憶體管理技術,待小弟有更多經驗後,再跟大家分享。:-)

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誰在呼叫我?不同的backtrace實作說明好文章

今天下班前一個同事問到:如何在Linux kernel的function中主動印出backtrace以方便除錯? 寫過kernel module的人都知道,基本上就是用dump_stack()之類的function就可以作到了。但是dump_stack()的功能是如何作到的呢?概念上其實並不難,慣用手法就是先觀察stack在function call時的變化(一般OS或計組教科書都有很好的說明,如果不想翻書,可以參考 這篇 ),然後將對應的return address一層一層找出來後,再將對應的function名稱印出即可(透過執行檔中的section去讀取函式名稱即可,所以要將KALLSYM選項打開)。在userspace的實作可參考Jserv介紹過的 whocallme 或對岸好手實作過的 backtrace() ,都是針對x86架構的很好說明文章。 不過從前面兩篇文章可以知道,只要知道編譯器的calling convention,就可以實作出backtrace,所以是否GCC有提供現成的機制呢?Yes, that is what __builtin_return_address() for!! 可以參考這篇 文章 。該篇文章還提到了其他可以拿來實作功能更齊全的backtrace的 程式庫 ,在了解了運作原理後,用那些東西還蠻方便的。 OK,那Linux kernel是怎麼做的呢?就是用頭兩篇文章的方式啦~ 每個不同的CPU架構各自手工實作一份dump_stack()。 為啥不用GCC的機制?畢竟...嗯,我猜想,除了backtrace以外,開發者還會想看其他register的值,還有一些有的沒的,所以光是GCC提供的介面是很難印出全部所要的資訊,與其用半套GCC的機制,不如全都自己來~ arm的實作 大致上長這樣,可以看到基本上就只是透過迭代fp, lr, pc來完成: 352 void unwind_backtrace (struct pt_regs * regs , struct task_struct *tsk) 353 { 354 struct stackframe frame ; 355 register unsigned long current_sp asm ( "...

淺讀Linux root file system初始化流程

在Unix的世界中,file system佔據一個極重要的抽象化地位。其中,/ 所代表的rootfs更是所有後續新增file system所必須依賴前提條件。以Linux為例,黑客 Jserv 就曾經詳細說明過 initramfs的背後設計考量 。本篇文章不再重複背景知識,主要將追蹤rootfs初始化的流程作點整理,免得自己日後忘記。 :-) file system與特定CPU架構無關,所以我觀察的起點從init/main.c的start_kernel()開始,這是Linux作完基本CPU初始化後首先跳進的C function(我閱讀的版本為 3.12 )。跟root file system有關的流程羅列如下: start_kernel()         -> vfs_caches_init_early()         -> vfs_caches_init()                 -> mnt_init()                         -> init_rootfs()                         -> init_mount_tree()         -> rest_init()                 -> kernel_thread(kernel_init,...) 其中比較重要的是mnt_int()中的init_rootfs()與init_mout_tree()。init_rootfs()實作如下: int __init init_root...

中文試譯:Load-time relocation of shared libraries

作者: eliben 原文連結: http://eli.thegreenplace.net/2011/08/25/load-time-relocation-of-shared-libraries/ 共享庫的載入時重定位 這篇文章的目的在解釋現代作業系統如何讓共享庫在載入時的連結動作發生。我們聚焦在32位元的x86 Linux上頭,但相同的原則在其他的作業系統與CPUs上一樣適用。 要注意的是,共享庫有許多不同的名字 - 共享庫(shared libraries),共享物件( shared objects),動態共享物件( dynamic shared objects (DSOs)),動態連結庫( dynamically linked libraries(如果你習慣的是Windows的環境,就知道這是所謂的DLL))。為了一致性,我在整篇文章中會使用"共享庫"這個字眼。 載入可執行檔 如同其他支援虛擬記憶體的作業系統,Linux將可執行檔載入到一個固定的記憶體位址。如果我們檢視任意一個可執行檔的ELF header,我們將可發現一個Entry point的位址: $ readelf -h /usr/bin/uptime ELF Header: Magic: 7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 Class: ELF32 [...] some header fields Entry point address: 0x8048470 [...] some header fields 這是由linker所放置的,可告訴作業系統要從何處開始執行此執行檔[1]。如果我們用GDB載入程式並觀察0x8048470的位址,我們將可看到.text segment的第一個被執行的指令。 這代表的是,當linker連結可執行檔時,會把全部的內部符號引用的位址都確定下來(function以及data),確定它們的固定的、最終的位址。Linker本身會對自己進行一些relocation[2],但最終的結果不會有任何的relocation。 講啥啊?注意,我在上段文中特別強...