linux內存回收機制

無論計算機上有多少內存都是不夠的，因而linux kernel需要回收一些很少使用的內存頁面來保證系統持續有內存使用。頁面回收的方式有頁回寫、頁交換和頁丟棄三種方式：如果一個很少使用的頁的后備存儲器是一個塊設備（例如文件映射），則可以將內存直接同步到塊設備，騰出的頁面可以被重用；如果頁面沒有后備存儲器，則可以交換到特定swap分區，再次被訪問時再交換回內存；如果頁面的后備存儲器是一個文件，但文件內容在內存不能被修改（例如可執行文件），那么在當前不需要的情況下可直接丟棄。

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1 回收的時機

2 哪些內存可以回收

2.1 頁框的回收

LRU(Least Recently Used)，近期最少使用鏈表，是按照近期的使用情況排列的，最少使用的存在鏈表末尾，通過以下宏定義即可看出：

#define lru_to_page(_head) (list_entry((_head)->prev, struct page, lru))

每個zone有5個LRU鏈表用以存放各種最近使用狀態的頁面。

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個鏈表中的頁面是可以回收的。ANON代表匿名映射，沒有后備存儲器；FILE代表文件映射。

頁面回收時，會優先回收INACTIVE的頁面，只有當INACTIVE頁面很少時，才會考慮回收ACTIVE頁面。

為了評估頁的活動程度，kernel引入了PG_referend和PG_active兩個標志位。為什么需要兩個位呢？假定只使用一個PG_active來標識頁是否活動，在頁被訪問時，設置該位，但是何時清楚呢？為此需要維護大量的內核定時器，這種方法注定是要失敗的。

使用兩個標志，可以實現一種更精巧的方法，其核心思想是：一個表示當前活動程度，一個表示最近是否被引用過，下圖說明了基本算法。

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基本上有以下步驟：

（1）如果頁是活動的，設置PG_active位，并保存在ACTIVE LRU鏈表；反之在INACTIVE；

（2）每次訪問頁時，設置PG_referenced位，負責該工作的是mark_page_accessed函數；

（3）PG_referenced以及由逆向映射提供的信息用來確定頁面活動程度，每次清除該位時，都會檢測頁面活動程度，page_referenced函數實現了該行為；

（4）再次進入mark_page_accessed。如果發現PG_referenced已被置位，意味著page_referenced沒有執行檢查，因而對于mark_page_accessed的調用比page_referenced更頻繁，這意味著頁面經常被訪問。如果該頁位于INACTIVE鏈表，將其移動到ACTIVE，此外還會設置PG_active標志位，清除PG_referenced；

（5）反向的轉移也是有可能的，在頁面活動程度減少時，可能連續調用兩次page_referenced而中間沒有mark_page_accessed。

如果對內存頁的訪問是穩定的，那么對page_referenced和mark_page_accessed的調用在本質上是均衡的，因而頁面保持在當前LRU鏈表。這種方案同時確保了內存頁不會再ACTIVE與INACTIVE鏈表間快速跳躍。

2.2 slab緩存回收

slab緩存回收相對比較靈活，所有注冊到shrinker_list中的方法都會被執行。

內核默認針對每個文件系統都注冊了prune_super方法，這個函數用來回收文件系統中不再使用的dentry和inode緩存；

android的lowmemorykiller機制注冊了選擇性殺死進程的方法，回收進程使用的內存。

3怎樣回收頁框

其中shrink_page_list是真正回收頁面的過程

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4周期性回收的頻率

4.1 kswapd

kswapd是內核為每個內存node創建的內存回收線程，為什么有了緊缺回收機制還需要周期性回收呢？因為有些內存分配是不允許阻塞等待回收的，比如中斷和異常處理程序中的內存分配；還有些內存分配不允許激活I/O訪問的。只有少數情況的內存緊缺可以完整執行回收過程，所以利用系統空閑時間回收內存非常必要。

該函數記錄了上一次均衡操作時所用的分配order，如果kswapd_max_order大于上一次的值，或者classzone_idx小于上一次的值，則調用balance_pgdat再次均衡該內存域，否則可以進行短暫休眠，休眠的時間是HZ/10，對于arm(HZ=100)來說，休眠的時間就是1ms。

balance_pgdat均衡操作直到該內存域的zone_wartermark_ok為止。

4.2 cache_reap

cache_reap用來回收slab中的空閑對象，如果空閑對象可以還原成一個頁面，則釋放回buddy system。每次調用cache_reap會把所有的slab_caches遍歷一遍，之后休眠2*HZ，對于arm(HZ=100)來說，周期就是20ms。

5 參考文獻

(1)《understanding the linux kernel》

(2)《professional linux kernel architecture》