zswap 数据结构维护解析

zswap 数据结构维护解析

zswap 是 Linux 内核中的一个前端压缩交换（swap）机制，它在内存中维护一个 zpool 来存储被压缩的页面，以减少磁盘 I/O 并提高性能。以下是 zswap 维护加解压相关数据结构的核心解析。

1. zswap 的核心数据结构

1.1 struct zswap_entry

zswap_entry 结构体表示 zswap 维护的每个压缩页面的元数据。

struct zswap_entry {
    struct rb_node rbnode;   // 用于红黑树索引
    struct list_head pool;   // 用于池管理
    pgoff_t offset;          // 页面在 swap 空间中的偏移量
    struct zswap_tree *tree; // 所属的 zswap 树
    unsigned int length;     // 压缩后数据的长度
    unsigned int swp_type;   // 交换设备类型
    unsigned int refcount;   // 引用计数
};

作用：

• 通过 rbnode 组织为红黑树，便于高效查找。
• offset 和 swp_type 用于唯一标识 swap 空间中的页面。
• length 记录压缩后数据的大小。
• tree 指向 zswap_tree，用于组织多个 zswap_entry。

---

1.2 struct zswap_tree

zswap_tree 组织多个 zswap_entry，采用红黑树管理。

struct zswap_tree {
    struct rb_root rbroot;  // 红黑树根节点
    struct rw_semaphore lock; // 读写锁保护
};

作用：

• rbroot 是存储 zswap_entry 的红黑树，支持高效插入、删除、查找。
• lock 保护 zswap_tree，防止并发访问问题。

---

1.3 struct zswap_pool

zswap_pool 代表 zswap 运行时管理的一个压缩池，支持多个池。

struct zswap_pool {
    struct list_head list;  // 链接到 `zswap_pools` 全局链表
    struct zpool *zpool;    // 关联的 zpool 实例
    struct crypto_comp *tfm; // 压缩算法实例（如 LZO, ZSTD）
    struct work_struct release_work; // 释放任务
    char tfm_name[CRYPTO_MAX_ALG_NAME]; // 算法名称
    int refcount;           // 引用计数
};

作用：

• zpool 负责实际存储压缩数据。
• tfm 是加密 API 提供的压缩上下文。
• release_work 用于释放 zswap_pool。
• refcount 记录被使用的计数。

---

2. zswap 关键操作流程

2.1 页面压缩并存储流程

1. 检查页面是否适合压缩

   • 通过 zswap_frontswap_store() 处理 swap 出的页面。
   • 计算 swap type 和 offset，检查是否已经存在于 zswap_tree。

2. 压缩页面

   • 选择合适的 zswap_pool 进行存储。
   • 调用 crypto_comp_compress() 进行压缩。

3. 存入 zpool

   • 调用 zpool_malloc() 分配空间。
   • 将压缩数据存入 zpool，并记录 zswap_entry。

4. 更新 zswap_tree

   • 通过 rb_insert_color() 插入红黑树。

2.2 页面解压读取流程

1. 查找 zswap_entry

   • 通过 zswap_frontswap_load() 根据 swap type 和 offset 查询 zswap_tree。

2. 从 zpool 读取并解压

   • 通过 zpool_map_handle() 获取压缩数据。
   • 调用 crypto_comp_decompress() 进行解压。

3. 恢复到物理页

   • 将解压后的数据写回物理内存。

4. 移除 zswap_entry（可选）

   • 如果页面不再需要保留，则从 zswap_tree 中删除。

---

3. 相关源码文件

• mm/zswap.c：主逻辑，包括 zswap_entry、zswap_tree 维护。
• mm/zpool.c：实现 zpool，用于存储压缩数据。
• crypto/ 目录：压缩算法，如 crypto/lzo.c。

---

4. 总结

zswap 通过 zswap_entry、zswap_tree 和 zswap_pool 维护压缩数据的存储与查询，结合 zpool 高效管理物理内存。其核心流程依赖于红黑树进行索引，加解压过程由 crypto_comp_compress() 和 crypto_comp_decompress() 执行。