Linux学习-内存管理篇（六）-内存回收(lru链表)

一、页面回收触发方式

Linux中页面回收主要是通过两种方式触发的：

• 由“内存严重不足”事件触发的。

• 由后台进程 kswapd触发的，该进程周期性地运行，一旦检测到当系统空闲内存小于阈值，就会触发页面回收操作。

二、哪些页框可以回收

• 属于内核的大部分页框是不能够进行回收的，比如内核栈、内核代码段、内核数据段以及大部分内核使用的页框。

• 进程使用的页框可以进行回收的，比如进程代码段、进程数据段、进程堆栈、进程访问文件时映射的文件页、进程间共享内存使用的页。

而lru链表的作用本质上就是能够让系统在那些可以回收的页框当中，选择到理想的回收页框进行回收。

三、回收页的操作与分类

Linux进程的页分为如下几种:

• 文件页(file-backed pages):有文件背景的页面,如代码段,要交换的话,可以直接和硬盘对应的文件进行交换。

• 匿名页(anonymous pages):如进程堆、栈、数据段使用的页、匿名mmap共享内存时使用的页、shmem共享内存时使用的页等,如果要交换,需要交换到虚拟内存-swapfile或者linux的swap硬盘分区。

• 被锁在内存中禁止换出的进程页(包括以上两种页)。

内核对进程使用的页进行回收操作主要分两种：

• 直接将一些页释放。

• 将页回写保存到磁盘(这里又分为磁盘区和swap区两种)，然后再释放。

四、通过lru链表如何回收

lru链表组织的页包括：可以存放到swap分区中的匿名页，映射了文件的文件页，以及被锁在内存中禁止换出的进程页。所有属于这些情况的页都必须加入到lru链表中，无一例外，而剩下那些没有加入到lru链表中的页，基本也就剩内核使用的页框了。

zone与页框关系

lru链表并不是一个系统中只有一个，而是每个zone有一个，那么下面针对一个zone来分析lru链表：

一个lru链表描述符中总共有5个双向链表头，它们分别描述五中不同类型的链表：

• LRU_INACTIVE_ANON：称为非活动匿名页lru链表（swap）

• LRU_ACTIVE_ANON：称为活动匿名页lru链表（swap）

• LRU_INACTIVE_FILE：称为非活动文件页lru链表（磁盘）

• LRU_ACTIVE_FILE：称为活动文件页lru链表（磁盘）

• LRU_UNEVICTABLE：此链表中保存的是此zone中所有禁止换出的页的描述符。

简单说，就是针对匿名页和文件页都拆分成一个活跃，一个不活跃的链表。禁止换出页单独一链。

那么lru链表进行的操作主要有以下几种：

• 将不处于lru链表的新页放入到lru链表中

• 将非活动lru链表中的页移动到非活动lru链表尾部

• 将处于活动lru链表的页移动到非活动lru链表

• 将处于非活动lru链表的页移动到活动lru链表

• 将页从lru链表中移除

当然这些操作并不是一个个执行的，因为存在激烈的锁竞争，所以内核提供了一个lru缓存的机制，它将一些需要相同处理的页集合起来，一个lru缓存的大小为14，当达到这个数量时再对它们进行一批次的处理。

上面的lru链表操作，除了最后一项移除操作外，其他四样操作除非在特殊情况下， 否则都需要依赖于lru缓存。

系统通过若干标志位来标记页的迁移状态，其中，PG_active/PG_referenced用于标识页面活跃度，前者标识页面时活跃的；后者表示页面最近是否被访问过，每访问一次便会置位。

内存页的状态迁移图

大概逻辑是：
页面通过lru批处理，转来转去，从活动链表转到非活动链表，从非活动链表靠前转到链尾，在内存回收时，非活动链表链尾的页被回收掉。

具体清理：
不管是kswapd还是直接页面回收，最终都调用shrink_slab和shrink_zone；

• 直接页面回收：反复调用这两个函数，若特定循环次数内没能成功释放N个page，则调用OOM killer；

• Kswapd：对每个zone都调用shrink_zone()；

Shrink_zone原理:

1 通过shrink_active_list()将页面从active移到inactive list；

2 调用shrink_inactive_list()将inactive list的页放入临时链表，最终调用shrink_page_list()回收

最后介绍一下Swappiness：

Linux的内存回收(memory reclaim),可以从文件页、匿名页两种页面里回收,swapiness决定了回收这二类页面的优先级

swappiness越大，越倾向于回收匿名页；(倾向于积极的使用swap分区,并把内存上的数据及时的搬运到swap空间里面.100告诉内核,只要有可能,尽量将内存中不常访问的数据移动到swap中)

swappiness越小，越倾向于回收file-backed的页面。(更倾向于使用物理内存.0告诉内核尽可能不要将内存移到swap中)

当然，它们的回收方法都是一样的LRU算法。Swappiness默认值为60