内核宏ALIGN的含义

本文详细解析了Linux内核中ALIGN宏的定义及其工作原理,包括如何通过ALIGN宏实现内存对齐,以及在不同场景下的具体应用,如与页面大小、skb分配的对齐等。

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在linux2.6.30.4中,在include/linux/kernel.h文件中,ALIGN宏的定义如下:

  1. #define ALIGN(x,a) __ALIGN_MASK(x,(typeof(x))(a)-1)
  2. #define __ALIGN_MASK(x,mask) (((x)+(mask))&~(mask))

上面代码中,typeof(x)表示取x的类型,如果x是int,则typeof(x)为int。

(typeof(x))(a)-1,表明把a转化为x的类型,并减1,作为对齐掩码。

不考虑类型,上述代码可以简化为如下:

[c-sharp] view plain copy print ?
  1. #define ALIGN(x,a) (((x)+(a)-1)&~(a-1))

先来看一段网上的论述:


1. 原理

int a;
int size = 8; //1000(bin)

计算a以size为倍数的下界数:
就让这个数(要计算的这个数)表示成二进制时,最后三位为0就可以达到这个目标。只要下面这个数与a进行"与运算"就可以了:
11111111 11111111 11111111 11111000
而上面这个数实际下就是 ~(size - 1),可以将该数称为size的对齐掩码size_mask.

计算a以size为倍数的上下界数:
#define alignment_down(a, size) (a & (
~(size-1)) )
#define alignment_up(a, size) ((a+size-1) & (~ (size-1)))
注: 上界数的计算方法,如果要求出比a大的是不是需要加上8就可以了?可是如果a本身就是8的倍数,这样加8不就错了吗,所以在a基础上加上(size - 1), 然后与size的对齐掩码进行与运算.

例如:
a=0, size=8, 则alignment_down(a,size)=0, alignment_up(a,size)=0.
a=6, size=8, 则alignment_down(a,size)=0, alignment_up(a,size)=8.
a=8, size=8, 则alignment_down(a,size)=8, alignment_up(a,size)=8.
a=14, size=8,则alignment_down(a,size)=8, alignment_up(a,size)=16.
注:size应当为2的n次方, 即2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 1024, 2048, 4096 ...



2. 在linux中的应用
上面的计算方法在linux等代码中也常常可以看到,下面给出几个例子:
(1) 当分配地址addr时, 要将该地址以size为倍数对齐, 而且要得到是比addr大的值, 则使用_ALIGN宏:
#define _ALIGN(addr,size) (((addr)+(size)-1)&(~((size)-1)))

(2) 与页面对齐相关的宏
#define PAGE_SIZE 4096
#define PAGE_MASK (~(PAGE_SIZE-1))
#define PAGE_ALIGN(addr) -(((addr)+PAGE_SIZE-1) & PAGE_MASK)

(3) 与skb分配时对齐相关的宏
#define SKB_DATA_ALIGN(X) (((X) + (SMP_CACHE_BYTES - 1)) & ~(SMP_CACHE_BYTES - 1))

再看一段说明就很明白了:

http://hi.baidu.com/weizhiyuan420/blog/item/c4369d0a153c8f2b6b60fbff.html

#define ALIGN(x,a) (((x)+(a)-1)&~((a)-1))

就是以a为上界对齐的意思。举个例子4k页面边界的例子,即a=4096: 如果x = 3888;那么以上界对齐,执行结果就是4096。 如果x = 4096;结果是4096. 如果x = 4222; 则结果为8192.

另外还有一种以下界对齐的方式 #define ALIGN(x,a) ((x)&~(a-1)) 若x = 3888; 结果为0. 如果x = 4096;结果是4096. 如果x = 4222; 则结果为4096. 你可以把这两种方式理解为“上进”和“丢弃”。

<think>好的,我现在需要帮助用户理解他们提供的两个定义:`PAGE_FRAG_CACHE_MAX_SIZE` 和 `PAGE_FRAG_CACHE_MAX_ORDER`。首先,我要回顾之前的对话历史,看看用户之前问过什么。用户之前询问了`PAGE_FRAG_CACHE_MAX_ORDER`,我详细解释了它的含义、作用以及在内核中的背景。现在用户给出了具体的定义代码,要求解释这两行代码的含义。 首先,我需要确认用户可能的背景。他们可能是在进行内核开发或调试,特别是在内存管理相关的部分,比如网络协议栈或驱动程序中遇到了问题。用户可能想知道这两个是如何计算出最大阶数的,以及它们在内核中的具体作用。 接下来,我需要分析这两行代码。第一行定义了`PAGE_FRAG_CACHE_MAX_SIZE`,使用`__ALIGN_MASK(32768, ~PAGE_MASK)`。这里的关键是理解`__ALIGN_MASK`的作用,它用于将数值对齐到页边界。32768是32KB,可能代表最大缓存大小。然后,第二行通过`get_order`函数将大小转换为对应的阶数,即`PAGE_FRAG_CACHE_MAX_ORDER`。 我需要详细解释这两个的关系,以及每个步骤的目的。例如,为什么需要对齐到页大小?`get_order`函数是如何工作的?用户可能需要了解这些细节来优化他们的代码或解决内存分配的问题。 同时,要结合之前的回答,用户已经知道`PAGE_FRAG_CACHE_MAX_ORDER`的值通常是3,但这里展示了其定义方式,所以需要连接之前的解释,说明这个值是如何计算出来的。例如,在x86架构上,页大小是4KB,32KB等于8页,所以对应的阶数是3,因为2^3=8。 还需要考虑用户可能的深层需求。他们可能在调试时发现内存分配不符合预期,或者想调整缓存的大小,因此需要了解如何修改这些或理解其限制。此外,用户可能对内核内存管理机制感兴趣,需要进一步解释页碎片缓存的作用及其与伙伴系统、SLAB分配器的区别。 需要确保解释清晰,结构合理,分步骤说明每个的作用,并举例说明在不同页大小下的计算结果。同时,强调这些内核中的实际影响,比如当申请的内存超过该大小时,会回退到伙伴系统,影响性能。 可能还需要提醒用户注意不同架构或内核版本之间的差异,比如页大小可能不同(ARM、x86_64等),导致`PAGE_FRAG_CACHE_MAX_ORDER`的值变化。此外,如果用户正在编写内核模块,他们可能需要根据这些来优化内存申请策略,避免频繁触发回退路径。 最后,总结这两个的关系,强调它们如何共同决定页碎片缓存的最大内存块大小和对应的阶数,帮助用户理解内核内存管理的这一机制。</think>以下是关于 `PAGE_FRAG_CACHE_MAX_SIZE` 和 `PAGE_FRAG_CACHE_MAX_ORDER` 的详细解析: --- ### **代码定义** ```c #define PAGE_FRAG_CACHE_MAX_SIZE __ALIGN_MASK(32768, ~PAGE_MASK) #define PAGE_FRAG_CACHE_MAX_ORDER get_order(PAGE_FRAG_CACHE_MAX_SIZE) ``` --- ### **分步解释** #### **1. `PAGE_FRAG_CACHE_MAX_SIZE`** - **功能**:定义页碎片缓存支持分配的 **最大内存块大小**(字节单位)。 - **具体实现**: - `32768`:表示预设的基准值为 **32KB**(即 $32768=32 \times 1024$ 字节)。 - `__ALIGN_MASK`:内核,用于将数值 **按页大小对齐**(向上取整到最近的页边界)。 - `~PAGE_MASK`:取页大小的掩码的反码(例如,`PAGE_SIZE=4KB` 时,`PAGE_MASK=0xFFF`,`~PAGE_MASK=0xFFFFF000`)。 - **对齐目的**: 确保分配的内存块是 **完整的物理页倍数**,避免跨页碎片。例如: - 若 `PAGE_SIZE=4KB`(x86架构): $$ \text{对齐后的值} = \lceil \frac{32768}{4096} \rceil \times 4096 = 8 \times 4096 = 32768 \, \text{字节} $$ - 若 `PAGE_SIZE=16KB`(某些 ARM 架构): $$ \text{对齐后的值} = \lceil \frac{32768}{16384} \rceil \times 16384 = 2 \times 16384 = 32768 \, \text{字节} $$ --- #### **2. `PAGE_FRAG_CACHE_MAX_ORDER`** - **功能**:根据最大内存块大小(`PAGE_FRAG_CACHE_MAX_SIZE`),计算对应的 **最大阶数**。 - **具体实现**: - `get_order()`:内核函数,用于计算分配指定字节所需的最小阶数 $n$,满足: $$ 2^n \, \text{页} \geq \text{所需大小} $$ - **计算过程**(以 `PAGE_SIZE=4KB` 为例): $$ \text{所需页数} = \frac{32768}{4096} = 8 \, \text{页} $$ $$ \text{阶数} = \log_2(8) = 3 \quad \Rightarrow \quad \text{PAGE\_FRAG\_CACHE\_MAX\_ORDER}=3 $$ --- ### **实际应用场景** 1. **内存分配逻辑**: - 当内核组件(如网络协议栈)申请内存时: - 若请求大小 ≤ `PAGE_FRAG_CACHE_MAX_SIZE` → 优先从页碎片缓存分配。 - 若请求大小 > `PAGE_FRAG_CACHE_MAX_SIZE` → 回退到伙伴系统(`alloc_pages`)。 2. **性能优化意义**: - **32KB 的合理性**:兼顾常见小内存需求(如以太网帧、DMA 缓冲区),同时避免缓存过大导致内存浪费。 - **阶数限制**:阶数 3(对应 8 页)平衡了内存利用率和分配效率。 --- ### **不同架构的差异** | 架构 | PAGE_SIZE | PAGE_FRAG_CACHE_MAX_SIZE | PAGE_FRAG_CACHE_MAX_ORDER | |--------------|-----------|--------------------------|---------------------------| | x86(4KB) | 4096 | 32768(32KB) | 3($8=2^3$ 页) | | ARM64(64KB)| 65536 | 32768 → 对齐为 65536 | 1($2=2^1$ 页) | | 特殊配置 | 16KB | 32768 → 对齐为 32768 | 1($2=2^1$ 页) | - **注意**:若 `PAGE_SIZE > 32KB`(如 64KB),对齐后 `PAGE_FRAG_CACHE_MAX_SIZE` 会变为 `PAGE_SIZE` 的整数倍,可能导致实际最大阶数降低。 --- ### **与内核其他机制的关联** 1. **页碎片缓存结构**: - 每个 CPU 维护一个缓存池,存储预分配的页块(阶数 ≤ `MAX_ORDER`)。 - 通过 `page_frag_alloc()` 接口分配内存。 2. **`get_order()` 的实现**: - 基于二进制搜索或位运算,快速计算满足大小的最小阶数。 - 源码示例(简化): ```c static inline int get_order(unsigned long size) { return fls(size - 1) - PAGE_SHIFT; } ``` --- ### **调试与验证** 1. **查看实际值**: ```bash # 内核编译后,通过预处理结果查看 gcc -E -dM include/linux/mm.h | grep PAGE_FRAG_CACHE_MAX ``` 2. **代码路径**: - 分配入口:`net/core/skbuff.c`(如 `__alloc_skb` 函数)。 - 缓存管理:`mm/page_alloc.c`(`page_frag_cache` 结构)。 --- ### **总结** - **核心关系**: $$ \text{PAGE\_FRAG\_CACHE\_MAX\_ORDER} = \log_2\left(\frac{\text{PAGE\_FRAG\_CACHE\_MAX\_SIZE}}{\text{PAGE\_SIZE}}\right) $$ - **设计目标**:为高频小内存分配提供低延迟、低碎片化的解决方案。
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