Linux kernel内存回收机制：深入理解内存管理

你是否曾经遇到过在Linux系统中出现的各种内存问题？比如内存泄漏、内存碎片等等。这些问题都可以通过深入理解Linux kernel内存回收机制得到解决。

无论计算机上有多少内存都是不够的，因而linux kernel需要回收一些很少使用的内存页面来保证系统持续有内存使用。页面回收的方式有页回写、页交换和页丢弃三种方式：如果一个很少使用的页的后备存储器是一个块设备（例如文件映射），则可以将内存直接同步到块设备，腾出的页面可以被重用；如果页面没有后备存储器，则可以交换到特定swap分区，再次被访问时再交换回内存；如果页面的后备存储器是一个文件，但文件内容在内存不能被修改（例如可执行文件），那么在当前不需要的情况下可直接丢弃。

1 回收的时机

2 哪些内存可以回收

2.1 页框的回收
LRU(Least Recently Used)，近期最少使用链表，是按照近期的使用情况排列的，最少使用的存在链表末尾，通过以下宏定义即可看出：
#define lru_to_page(_head) (list_entry((_head)->prev, struct page, lru))
每个zone有5个LRU链表用以存放各种最近使用状态的页面。
enum lru_list {
LRU_INACTIVE_ANON = LRU_BASE,
LRU_ACTIVE_ANON = LRU_BASE + LRU_ACTIVE,
LRU_INACTIVE_FILE = LRU_BASE + LRU_FILE,
LRU_ACTIVE_FILE = LRU_BASE + LRU_FILE + LRU_ACTIVE,
LRU_UNEVICTABLE,
NR_LRU_LISTS
};
其中INACTIVE_ANON、ACTIVE_ANON、INACTIVE_FILE、ACTIVE_FILE 4个链表中的页面是可以回收的。ANON代表匿名映射，没有后备存储器；FILE代表文件映射。
页面回收时，会优先回收INACTIVE的页面，只有当INACTIVE页面很少时，才会考虑回收ACTIVE页面。
为了评估页的活动程度，kernel引入了PG_referend和PG_active两个标志位。为什么需要两个位呢？假定只使用一个PG_active来标识页是否活动，在页被访问时，设置该位，但是何时清楚呢？为此需要维护大量的内核定时器，这种方法注定是要失败的。
使用两个标志，可以实现一种更精巧的方法，其核心思想是：一个表示当前活动程度，一个表示最近是否被引用过，下图说明了基本算法。

基本上有以下步骤：
（1）如果页是活动的，设置PG_active位，并保存在ACTIVE LRU链表；反之在INACTIVE；
（2）每次访问页时，设置PG_referenced位，负责该工作的是mark_page_accessed函数；
（3）PG_referenced以及由逆向映射提供的信息用来确定页面活动程度，每次清除该位时，都会检测页面活动程度，page_referenced函数实现了该行为；
（4）再次进入mark_page_accessed。如果发现PG_referenced已被置位，意味着page_referenced没有执行检查，因而对于mark_page_accessed的调用比page_referenced更频繁，这意味着页面经常被访问。如果该页位于INACTIVE链表，将其移动到ACTIVE，此外还会设置PG_active标志位，清除PG_referenced；
（5）反向的转移也是有可能的，在页面活动程度减少时，可能连续调用两次page_referenced而中间没有mark_page_accessed。
如果对内存页的访问是稳定的，那么对page_referenced和mark_page_accessed的调用在本质上是均衡的，因而页面保持在当前LRU链表。这种方案同时确保了内存页不会再ACTIVE与INACTIVE链表间快速跳跃。
2.2 slab****缓存回收
slab缓存回收相对比较灵活，所有注册到shrinker_list中的方法都会被执行。
内核默认针对每个文件系统都注册了prune_super方法，这个函数用来回收文件系统中不再使用的dentry和inode缓存；
android的lowmemorykiller机制注册了选择性杀死进程的方法，回收进程使用的内存。
3****怎样回收页框

其中shrink_page_list是真正回收页面的过程

4周期性回收的频率

4.1 kswapd
kswapd是内核为每个内存node创建的内存回收线程，为什么有了紧缺回收机制还需要周期性回收呢？因为有些内存分配是不允许阻塞等待回收的，比如中断和异常处理程序中的内存分配；还有些内存分配不允许激活I/O访问的。只有少数情况的内存紧缺可以完整执行回收过程，所以利用系统空闲时间回收内存非常必要。
该函数记录了上一次均衡操作时所用的分配order，如果kswapd_max_order大于上一次的值，或者classzone_idx小于上一次的值，则调用balance_pgdat再次均衡该内存域，否则可以进行短暂休眠，休眠的时间是HZ/10，对于arm(HZ=100)来说，休眠的时间就是1ms。
balance_pgdat均衡操作直到该内存域的zone_wartermark_ok为止。
4.2 cache_reap
cache_reap用来回收slab中的空闲对象，如果空闲对象可以还原成一个页面，则释放回buddy system。每次调用cache_reap会把所有的slab_caches遍历一遍，之后休眠2*HZ，对于arm(HZ=100)来说，周期就是20ms。

总之，Linux kernel内存回收机制是一个非常重要的概念，可以帮助你更好地理解Linux系统中的内存管理。如果你想了解更多关于这个概念的信息，可以查看本文提供的参考资料。

5 参考文献

(1)《understanding the linux kernel》
(2)《professional linux kernel architecture》

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