【Note】《深入理解Linux内核》第十七章：深入理解 Linux 页框回收机制

《深入理解Linux内核》第十七章：深入理解 Linux 页框回收机制

关键词：页框、LRU、kswapd、direct reclaim、Zoned Page Frame Allocator、inactive list、active list、swap、内存压力、回收策略

一、概述：为什么需要页框回收

1.1 页框的概念

Linux 将物理内存划分为固定大小的页（通常为4KB），称为页框（page frame）。页框用于存储用户进程数据、页缓存、内核数据结构等。

1.2 内存不足的问题

当系统分配内存时（如 fork、mmap、alloc_pages 等），如果可用页框不足，内核必须释放一部分页框以腾出空间 —— 这就是页框回收机制的由来。

二、回收机制总体结构

Linux 回收内存页的主干机制有两个：

2.1 kswapd 线程（后台回收）

• 每个内存节点（NUMA）启动一个 kswapd；
• 周期性检查内存水位；
• 回收页框释放到伙伴系统；
• 回收过程是异步的，不影响前台进程。

2.2 Direct Reclaim（直接回收）

• 当进程申请内存而失败时触发；
• 当前进程负责执行回收；
• 回收失败可能触发 OOM killer。

三、内存区域与水位管理

3.1 区域划分（Zones）

Linux 将物理内存划分为多个 zone：

• ZONE_DMA：可供 DMA 使用（<16MB）；
• ZONE_NORMAL：标准物理内存（一般用于用户空间）；
• ZONE_HIGHMEM：仅用于32位系统的高地址内存；
• ZONE_MOVABLE：用于大块页迁移。

每个 zone 都有自己独立的页框管理与回收水位：

struct zone {
    unsigned long pages_min;
    unsigned long pages_low;
    unsigned long pages_high;
    ...
};

3.2 水位定义

• high：达到此值，系统认为内存充足；
• low：低于此值，触发 kswapd；
• min：极限警戒线，触发 direct reclaim。

四、页回收的数据结构：LRU 链表

4.1 LRU（Least Recently Used）

Linux 使用两级 LRU 实现回收策略：

• active list：活跃页面；
• inactive list：不活跃页面。

每类页面又分为：

• anon：匿名页（如堆栈、brk）；
• file：文件页（页缓存）；

组合构成 4 条 LRU 链：

LRU_ANON_ACTIVE
LRU_ANON_INACTIVE
LRU_FILE_ACTIVE
LRU_FILE_INACTIVE

4.2 页状态转换规则

• 新页加入 inactive；
• 被频繁访问的页提升到 active；
• 长期未访问的 active 页可能被降级。

五、回收策略：选择哪些页回收？

回收目标页通常具备以下特征：

• 长时间未被访问（通过 referenced 位判断）；
• 非锁页（PG_locked）；
• 非脏页或可立刻写回；
• 不在内核关键路径使用。

5.1 匿名页回收

• 匿名页通常为进程堆、栈；
• 必须先交换到 swap 设备；
• 交换后 page 被回收。

5.2 文件页回收

• 通常为页缓存；
• 若未修改，直接释放；
• 若脏页，需先写回磁盘。

六、核心函数与回收路径

6.1 kswapd 线程执行路径

kswapd()
 └── balance_pgdat()
     └── shrink_node()
         └── shrink_lruvec()
             └── shrink_page_list()

6.2 direct reclaim 执行路径

__alloc_pages_slowpath()
 └── try_to_free_pages()
     └── shrink_node()

6.3 shrink_page_list 工作流程

• 遍历 LRU 页面；
• 调用 try_to_unmap() 尝试解除映射；
• 若匿名页，swap_out；
• 若文件页且脏，writepage；
• 若 clean，直接释放。

七、页状态标志与控制逻辑

7.1 struct page 中的标志位

PageLocked()     // 页面被锁定
PageDirty()      // 页面已被修改
PageReferenced() // 页面被访问过
PageActive()     // 在 active list 上
PageSwapBacked() // 来自匿名映射或 swap

7.2 页引用位清除

在 shrink_lruvec 中会清除 referenced 位，以便决定是否降级。

八、文件页回收的特殊机制

8.1 writeback 控制

• 脏页不可直接释放；
• 需调用 writepage() 将内容同步到磁盘；
• 由 pdflush / writeback thread 负责。

8.2 延迟写回参数

• /proc/sys/vm/dirty_* 系列参数；
• 控制何时、多久、以何速率回写脏页；
• 避免大量 I/O 峰值。

九、内核 API 接口与调试手段

9.1 手动触发回收

void wakeup_kswapd(pg_data_t *pgdat);
int shrink_all_memory();

9.2 用户态手段

• echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches：回收页缓存；
• vmstat：监视页活动与回收；
• top / free：内存实时查看；
• perf record -e kswapd：分析内存压力。

十、与 OOM Killer 的关系

• 如果页回收仍无法满足内存请求；
• 系统会触发 out_of_memory()；
• 调用 oom_kill_process() 选择并终结进程；
• 参考 /proc/sys/vm/oom_kill_allocating_task 控制策略。

十一、源码路径参考

十二、小结

• 页框回收是 Linux 保持内存可用性的关键机制；
• 通过 LRU、状态位、匿名与文件页分类实现高效控制；
• kswapd 处理轻度压力，direct reclaim 负责紧急处理；
• 配合 swap、writeback 可实现完整页生命周期管理；
• 参数可调，调试工具丰富，是系统稳定性的核心一环。