技术解析:Linux的NUMA 技术

互联网 | 编辑: 杨剑锋 2006-10-05 10:00:00转载 返回原文
  NUMA(Non-Uniform Memory Access Architecture)系统在市场上的应用越来越广泛,许多厂商都成功推出了基于 NUMA 架构的服务器,本文重点讨论了当前 Linux 的 NUMA 技术,主要包括:存储管理、NUMA 调度和用户层的 API,并在 SGI 的 Altix 350 系统上进行了 NUMA 基本测试,对进行 Linux NUMA 技术的研究具有参考价值。
  
    一、引言
  
    随着科学计算、事务处理对计算机性能要求的不断提高,SMP(对称多处理器)系统的应用越来越广泛,规模也越来越大,但由于传统的 SMP 系统中,所有处理器都共享系统总线,因此当处理器的数目增大时,系统总线的竞争冲突加大,系统总线将成为瓶颈,所以目前 SMP 系统的 CPU 数目一般只有数十个,可扩展能力受到极大限制。NUMA 技术有效结合了 SMP 系统易编程性和 MPP(大规模并行)系统易扩展性的特点,较好解决了 SMP 系统的可扩展性问题,已成为当今高性能服务器的主流体系结构之一。目前国外著名的服务器厂商都先后推出了基于 NUMA 架构的高性能服务器,如 HP 的 Superdome、SGI 的 Altix 3000、IBM 的 x440、NEC 的 TX7、AMD 的Opteron 等。随着 Linux 在服务器平台上的表现越来越成熟,Linux 内核对 NUMA 架构的支持也越来越完善,特别是从 2.5 开始,Linux 在调度器、存储管理、用户级 API 等方面进行了大量的 NUMA 优化工作,目前这部分工作还在不断地改进,如新近推出的 2.6.7-RC1 内核中增加了 NUMA 调度器。本文主要从存储管理、调度器和 CpuMemSets 三个方面展开讨论。
  
    二、NUMA 存储管理
  
    NUMA 系统是由多个结点通过高速互连网络连接而成的,如图 1 是 SGI Altix 3000 ccNUMA 系统中的两个结点。 
  
     
    图 1 SGI Altix3000 系统的两个结点
  
    NUMA 系统的结点通常是由一组 CPU(如,SGI Altix 3000 是 2 个Itanium2 CPU)和本地内存组成,有的结点可能还有I/O子系统。由于每个结点都有自己的本地内存,因此全系统的内存在物理上是分布的,每个结点访问本地内存和访问其它结点的远地内存的延迟是不同的,为了减少非一致性访存对系统的影响,在硬件设计时应尽量降低远地内存访存延迟(如通过 Cache 一致性设计等),而操作系统也必须能感知硬件的拓扑结构,优化系统的访存。
  
   目前 IA64 Linux 所支持的 NUMA 架构服务器的物理拓扑描述是通过 ACPI(Advanced Configuration and Power Interface)实现的。ACPI 是由 Compaq、Intel、Microsoft、Phoenix 和 Toshiba 联合制定的 BIOS 规范,它定义了一个非常广泛的配置和电源管理,目前该规范的版本已发展到 2.0,3.0 版本正在制定中,具体信息可以从 http://www.acpi.info 网站上获得。ACPI 规范也已广泛应用于 IA-32 架构的至强服务器系统中。
  
    Linux 对 NUMA 系统的物理内存分布信息是从系统 firmware 的 ACPI 表中获得的,最重要的是 SRAT(System Resource Affinity Table)和 SLIT(System Locality Information Table)表,其中 SRAT 包含两个结构:   
  
    Processor Local APIC/SAPIC Affinity Structure:记录某个 CPU 的信息;
  
    Memory Affinity Structure:记录内存的信息;

    SLIT 表则记录了各个结点之间的距离,在系统中由数组 node_distance[ ] 记录。

    Linux 采用 Node、Zone 和页三级结构来描述物理内存的,如图 2 所示, 
  
  
  
      图 2 Linux 中 Node、Zone 和页的关系
  
  . 1 结点
  
    Linux 用一个 struct pg_data_t 结构来描述系统的内存,系统中每个结点都挂接在一个 pgdat_list 列表中,对 UMA 体系结构,则只有一个静态的 pg_data_t 结构 contig_page_data。对 NUMA 系统来说则非常容易扩充,NUMA 系统中一个结点可以对应 Linux 存储描述中的一个结点,具体描述见 linux/mmzone.h。 

typedef struct pglist_data {
zone_t node_zones[MAX_NR_ZONES];
zonelist_t node_zonelists[GFP_ZONEMASK+1];
int nr_zones;
struct page *node_mem_map;
unsigned long *valid_addr_bitmap;
struct bootmem_data *bdata;
unsigned long node_start_paddr;
unsigned long node_start_mapnr;
unsigned long node_size;
int node_id;
struct pglist_data *node_next;
} pg_data_t;

    
下面就该结构中的主要域进行说明: 

说明
Node_zones 该结点的 zone 类型,一般包括 ZONE_HIGHMEM、ZONE_NORMAL 和 ZONE_DMA 三类
Node_zonelists 分配时内存时 zone 的排序。它是由 free_area_init_core() 通过 page_alloc.c 中的 build_zonelists() 设置 zone 的顺序
nr_zones 该结点的 zone 个数,可以从 1 到 3,但并不是所有的结点都需要有 3 个 zone
node_mem_map 它是 struct page 数组的第一页,该数组表示结点中的每个物理页框。根据该结点在系统中的顺序,它可在全局 mem_map 数组中的某个位置
Valid_addr_bitmap 用于描述结点内存空洞的位图
node_start_paddr 该结点的起始物理地址
node_start_mapnr 给出在全局 mem_map 中的页偏移,在free_area_init_core() 计算在 mem_map 和 lmem_map 之间的该结点的页框数目
node_size 该 zone 内的页框总数
node_id 该结点的 ID,全系统结点 ID 从 0 开始

    系统中所有结点都维护在 pgdat_list 列表中,在 init_bootmem_core 函数中完成该列表初始化工作。 
  
     2.2 Zone
  
    每个结点的内存被分为多个块,称为zones,它表示内存中一段区域。一个zone用struct_zone_t结构描述,zone的类型主要有ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和ZONE_HIGHMEM。ZONE_DMA位于低端的内存空间,用于某些旧的ISA设备。ZONE_NORMAL的内存直接映射到Linux内核线性地址空间的高端部分,许多内核操作只能在ZONE_NORMAL中进行。例如,在X86中,zone的物理地址如下:   

类型 地址范围
ZONE_DMA 前16MB内存
ZONE_NORMAL 16MB - 896MB
ZONE_HIGHMEM 896 MB以上

  
    Zone是用struct zone_t描述的,它跟踪页框使用、空闲区域和锁等信息,具体描述如下:

typedef struct zone_struct {
spinlock_t lock;
unsigned long free_pages;
unsigned long pages_min, pages_low, pages_high;
int need_balance;
free_area_t free_area[MAX_ORDER];
wait_queue_head_t * wait_table;
unsigned long wait_table_size;
unsigned long wait_table_shift;
struct pglist_data *zone_pgdat;
struct page *zone_mem_map;
unsigned long zone_start_paddr;
unsigned long zone_start_mapnr;
char *name;
unsigned long size;
} zone_t;


      下面就该结构中的主要域进行说明: 

说明
Lock 旋转锁,用于保护该zone
free_pages 该zone空闲页总数
pages_min,

pages_low,

pages_high

Zone的阈值
need_balance 该标志告诉kswapd需要对该zone的页进行交换
Free_area 空闲区域的位图,用于buddy分配器
wait_table 等待释放该页进程的队列散列表,这对wait_on_page()和unlock_page()是非常重要的。当进程都在一条队列上等待时,将引起进程的抖动
zone_mem_map 全局mem_map中该zone所引用的第一页
zone_start_paddr 含义与node_start_paddr类似
zone_start_mapnr 含义与node_start_mapnr类似
Name 该zone的名字。如,“DMA”,“Normal”或“HighMem”
Size Zone的大小,以页为单位

    当系统中可用的内存比较少时,kswapd将被唤醒,并进行页交换。如果需要内存的压力非常大,进程将同步释放内存。如前面所述,每个zone有三个阈值,称为pages_low,pages_min和pages_high,用于跟踪该zone的内存压力。pages_min的页框数是由内存初始化free_area_init_core函数,根据该zone内页框的比例计算的,最小值为20页,最大值一般为255页。当到达pages_min时,分配器将采用同步方式进行kswapd的工作;当空闲页的数目达到pages_low时,kswapd被buddy分配器唤醒,开始释放页;当达到pages_high时,kswapd将被唤醒,此时kswapd不会考虑如何平衡该zone,直到有pages_high空闲页为止。一般情况下,pages_high缺省值是pages_min的3倍。
  
    Linux存储管理的这种层次式结构可以将ACPI的SRAT和SLIT信息与Node、Zone实现有效的映射,从而克服了传统Linux中平坦式结构无法反映NUMA架构的缺点。当一个任务请求分配内存时,Linux采用局部结点分配策略,首先在自己的结点内寻找空闲页;如果没有,则到相邻的结点中寻找空闲页;如果还没有,则到远程结点中寻找空闲页,从而在操作系统级优化了访存性能。

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