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Memory · Linux 6.18.37 LTS · source + diagram note

compaction

최신 LTS 기준: kernel.org longterm 6.18.37 기준으로 파일 좌표와 링크를 맞춘 문C식 독해 노트입니다. high-order allocation 실패와 page migration. 박사 과정/커널 연구자 기준으로, API 설명보다 invariant, 동시성, lifetime, 성능 모델을 중심에 둔다.

읽는 지도

메모리 코드는 address translation, physical page ownership, reclaim policy, allocation latency가 한꺼번에 얽힌다. 이 층을 박사급으로 읽는다는 것은 '어느 page가 지금 누구 소유인가'와 '그 소유권을 어떤 lock/refcount가 증명하는가'를 끝까지 추적한다는 뜻이다.

먼저 볼 것

함수 이름보다 입력 객체와 출력 객체를 먼저 본다. 이 토픽에서 어떤 구조체가 생성, 연결, publish, retire되는지 표시한다.

다음에 볼 것

정상 경로와 실패 경로를 같은 무게로 본다. kernel code의 품질은 성공 path보다 error unwind, hotplug, teardown에서 더 잘 드러난다.

그림 1. compaction 이 kernel 안에서 놓이는 위치
virtual addressVMA, fault, kernel mapping
page tablePTE/PMD/PUD, TLB maintenance
struct page/foliorefcount, mapcount, flags
allocator/reclaimzone, LRU, compaction, writeback

왼쪽은 입력 또는 상위 계층이고, 오른쪽으로 갈수록 실제 상태 변경이 커진다. 문C식으로 읽을 때는 이 그림을 먼저 머리에 놓고 코드 조각을 끼워 넣는다.

원본 코드 좌표

Linux 6.18.37 LTS에서 열 파일

원본 코드:
Linux 6.18.37 LTS: mm/compaction.c
Linux 6.18.37 LTS: mm/migrate.c
Linux 6.18.37 LTS: include/linux/compaction.h

설명: 첫 파일은 보통 진입 함수가 있는 곳이고, 나머지는 구조체 정의, architecture glue, callback 구현을 확인할 때 같이 연다. 파일을 여러 개 놓고 봐야 이 토픽의 boundary가 보인다.

대표 코드

compact_zone

원본 코드: mm/compaction.c, around line 1975
		(cc->mode != MIGRATE_SYNC ? ISOLATE_ASYNC_MIGRATE : 0);
	bool fast_find_block;

	/*
	 * Start at where we last stopped, or beginning of the zone as
	 * initialized by compact_zone(). The first failure will use
	 * the lowest PFN as the starting point for linear scanning.
	 */
	low_pfn = fast_find_migrateblock(cc);
	block_start_pfn = pageblock_start_pfn(low_pfn);
	if (block_start_pfn < cc->zone->zone_start_pfn)
		block_start_pfn = cc->zone->zone_start_pfn;

	/*
	 * fast_find_migrateblock() has already ensured the pageblock is not
	 * set with a skipped flag, so to avoid the isolation_suitable check
	 * below again, check whether the fast search was successful.
	 */
	fast_find_block = low_pfn != cc->migrate_pfn && !cc->fast_search_fail;

	/* Only scan within a pageblock boundary */
	block_end_pfn = pageblock_end_pfn(low_pfn);

	/*
	 * Iterate over whole pageblocks until we find the first suitable.
	 * Do not cross the free scanner.
	 */
	for (; block_end_pfn <= cc->free_pfn;
			fast_find_block = false,
			cc->migrate_pfn = low_pfn = block_end_pfn,
			block_start_pfn = block_end_pfn,
			block_end_pfn += pageblock_nr_pages) {

		/*
		 * This can potentially iterate a massively long zone with
		 * many pageblocks unsuitable, so periodically check if we
		 * need to schedule.
		 */
		if (!(low_pfn % (COMPACT_CLUSTER_MAX * pageblock_nr_pages)))
			cond_resched();

읽는 법: 이 절편에서 먼저 볼 것은 return 값이 아니라 상태 변경이다. 어떤 lock을 잡은 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패하면 어느 label로 빠지는지, 그리고 바뀐 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 소비하는지 표시한다.

compact_zone_order

원본 코드: mm/compaction.c, around line 2613
	VM_BUG_ON(!list_empty(&cc->migratepages));

	return ret;
}

static enum compact_result compact_zone_order(struct zone *zone, int order,
		gfp_t gfp_mask, enum compact_priority prio,
		unsigned int alloc_flags, int highest_zoneidx,
		struct page **capture)
{
	enum compact_result ret;
	struct compact_control cc = {
		.order = order,
		.search_order = order,
		.gfp_mask = gfp_mask,
		.zone = zone,
		.mode = (prio == COMPACT_PRIO_ASYNC) ?
					MIGRATE_ASYNC :	MIGRATE_SYNC_LIGHT,
		.alloc_flags = alloc_flags,
		.highest_zoneidx = highest_zoneidx,
		.direct_compaction = true,
		.whole_zone = (prio == MIN_COMPACT_PRIORITY),
		.ignore_skip_hint = (prio == MIN_COMPACT_PRIORITY),
		.ignore_block_suitable = (prio == MIN_COMPACT_PRIORITY)
	};
	struct capture_control capc = {
		.cc = &cc,
		.page = NULL,
	};

	/*
	 * Make sure the structs are really initialized before we expose the
	 * capture control, in case we are interrupted and the interrupt handler
	 * frees a page.
	 */
	barrier();
	WRITE_ONCE(current->capture_control, &capc);

	ret = compact_zone(&cc, &capc);

읽는 법: 이 절편에서 먼저 볼 것은 return 값이 아니라 상태 변경이다. 어떤 lock을 잡은 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패하면 어느 label로 빠지는지, 그리고 바뀐 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 소비하는지 표시한다.

함수별 독해

high-order allocation을 위해 movable page를 밀어내고 free page를 모아 contiguous block을 만드는 경로다.

이 섹션은 원본 코드 발췌를 함수 이름 단위로 끊어, 각 함수가 어떤 전제 조건을 만들고 다음 함수가 무엇을 소비하는지 추적한다.

그림 2. compaction 함수 체인과 관찰 지점
entrycaller가 넘기는 객체와 context를 확정
compact_zonecontiguous block 필요
compact_zone_order이동할 folio 격리
observable statetracepoint, counter, sysfs/proc에서 확인되는 결과

각 노드는 독립 함수가 아니라 전제 조건을 생산하고 소비하는 연결점이다. 코드를 읽을 때는 노드 사이에서 어떤 필드가 바뀌는지 표시한다.

1. compact_zone

compact_zone 주변에서는 compact_control를 중심으로 본다. 이 필드는 scan 위치와 mode 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 high-order request 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.

원본 코드에서 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 다음 함수가 contiguous block 필요을 전제로 삼을 수 있다.

자주 틀리는 해석: compaction을 reclaim과 같은 free 작업으로 봄

2. compact_zone_order

compact_zone_order 주변에서는 migrate scanner를 중심으로 본다. 이 필드는 옮길 page 탐색 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 migration candidates isolated 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.

원본 코드에서 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 다음 함수가 이동할 folio 격리을 전제로 삼을 수 있다.

자주 틀리는 해석: unmovable page 하나가 pageblock을 막는 효과를 과소평가함

함수입력상태 변경검증 질문
compact_zonecompact_control, caller context, subsystem 전제 조건high-order request: contiguous block 필요compaction을 reclaim과 같은 free 작업으로 봄 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가
compact_zone_ordermigrate scanner, caller context, subsystem 전제 조건migration candidates isolated: 이동할 folio 격리unmovable page 하나가 pageblock을 막는 효과를 과소평가함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가

구조체 / 필드 해설

여기서는 “어떤 구조체가 있다”가 아니라 그 필드가 어느 단계에서 쓰기 가능하고 어느 단계부터 관찰 가능한지를 본다. 박사급 리뷰에서는 필드의 뜻보다 보호 규칙이 먼저다.

그림 3. compaction 핵심 필드 연결
compact_controlscan 위치와 mode
migrate scanner옮길 page 탐색
free scanner받아줄 free page 탐색
pageblock migratetype이동 가능성 단위

필드는 구조체 안에 흩어져 있지만, 실제 실행에서는 위 순서로 의미가 이어진다.

필드읽는 법확인
compact_controlscan 위치와 mode누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인
migrate scanner옮길 page 탐색누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인
free scanner받아줄 free page 탐색누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인
pageblock migratetype이동 가능성 단위누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인

상태 전이 그림

상태 전이를 따로 그리는 이유는 정상 path와 실패 path를 같은 표에서 보기 위해서다. 커널 regression은 흔히 마지막 상태가 아니라 중간 상태를 외부에 publish한 뒤 rollback하지 못해서 생긴다.

그림 4. compaction 상태 전이
high-order requestcontiguous block 필요
migration candidates isolated이동할 folio 격리
free target found새 위치 확보
block compacted큰 order 가능성 증가

상태 전이는 단방향처럼 그렸지만, 실패 경로에서는 대부분 역순 rollback이 붙는다.

상태의미진입 조건깨지는 지점
high-order requestcontiguous block 필요앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
migration candidates isolated이동할 folio 격리앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
free target found새 위치 확보앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
block compacted큰 order 가능성 증가앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
compaction review rule = state transition + owner transition + visibility transition

불변조건 / 실패 케이스

lifetime

compaction 의 중심 객체가 publish된 뒤에는 마지막 참조가 사라지기 전까지 teardown path가 모든 callback, timer, IRQ, worker와 경합하지 않아야 한다.

ordering

상태 필드를 바꾼 뒤 다른 CPU나 하위 계층이 관찰할 수 있다면 lock, barrier, refcount, RCU 중 어느 장치가 visibility를 보장하는지 확인한다.

error unwind

중간 단계 실패는 성공 단계의 역순으로 되돌아가야 한다. goto label이 많은 코드는 label 이름보다 어느 resource가 이미 획득됐는지를 표로 적는다.

bring-up symptom

embedded bring-up에서는 panic보다 silence, timeout, deferred probe, interrupt flood처럼 간접 증상으로 드러나는 경우가 많다.

주의

compaction을 reclaim과 같은 free 작업으로 봄

주의

unmovable page 하나가 pageblock을 막는 효과를 과소평가함

주의

CMA/THP 요구를 일반 order-0 allocation과 섞음

계측 / 검증

계측은 printk 위치 경쟁이 아니라 가설 검증이다. 먼저 위 상태표에서 멈춘 state를 정하고, 그 state를 바꾸는 함수와 그 결과를 소비하는 함수를 동시에 본다.

도구보는 것해석
trace_mm_compaction_*compaction 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
cat /proc/pagetypeinfocompaction 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
compact_memory sysctlcompaction 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
page_ownercompaction 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
기본 추적 골격:
# 예시: tracefs가 켜진 보드에서 토픽별 event를 좁혀 본다.
mount -t tracefs nodev /sys/kernel/tracing
echo function_graph > /sys/kernel/tracing/current_tracer
echo ':mod:*' > /sys/kernel/tracing/set_ftrace_filter
cat /sys/kernel/tracing/trace_pipe

연구 질문

  • compaction 의 state machine을 네 단계로 줄였을 때, 실제 코드에서 빠지는 intermediate state는 무엇인가?
  • compaction 의 fast path가 생략한 검사는 어느 init path 또는 slow path에서 보증되는가?
  • 실험으로 확인한다면 'compaction을 reclaim과 같은 free 작업으로 봄' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?
  • 실험으로 확인한다면 'unmovable page 하나가 pageblock을 막는 효과를 과소평가함' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?