Linux kernel記憶體回收機制：深入理解記憶體管理

你是否曾經遇到過在Linux系統中出現的各種記憶體問題？例如記憶體洩漏、記憶體碎片等等。這些問題都可以透過深入理解Linux kernel記憶體回收機制來解決。

無論電腦上有多少記憶體都是不夠的，因而linux kernel需要回收一些很少使用的記憶體頁面來保證系統持續有記憶體使用。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後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複使用；如果頁面沒有後備存儲器，則可以交換到特定swap分區，再次被訪問時再交換回內存；如果頁面的後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），那麼在目前不需要的情況下可直接丟棄。

1 回收的時機

2 哪些記憶體可以回收

#2.1 頁框的回收
# LRU(Least Recently Used)，近期最少使用鍊錶，是按照近期的使用情況排列的，最少使用的存在鍊錶末尾，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鍊錶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個鍊錶中的頁面是可以回收的。 ANON代表匿名映射，沒有後備記憶體；FILE代表檔案映射。
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兩個標誌位。為什麼需要兩個位呢？假定只使用一個PG_active來標識頁是否活動，在頁被存取時，設定該位，但是何時清楚呢？為此需要維護大量的核心定時器，這種方法注定是失敗的。
使用兩個標誌，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，下圖說明了基本演算法。

#基本上有以下步驟：
（1）如果頁是活動的，設定PG_active位，並保存在ACTIVE LRU鍊錶；反之在INACTIVE；
（2）每次造訪頁時，設定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資訊用來確定頁面活動程度，每次清除該位元時，都會檢測頁面活動程度，page_referenced函數實現了該行為；
（4）再進入mark_page_accessed。如果發現PG_referenced已被置位，表示page_referenced沒有執行檢查，因而對於mark_page_accessed的呼叫比page_referenced更頻繁，這表示頁面經常被存取。如果該頁位於INACTIVE鍊錶，將其移至ACTIVE，此外還會設定PG_active標誌位，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，可能連續呼叫兩次page_referenced而中間沒有mark_page_accessed。
如果對記憶體頁的存取是穩定的，那麼對page_referenced和mark_page_accessed的呼叫本質上是均衡的，因而頁面保持在目前LRU鍊錶。這種方案同時確保了內存頁不會再ACTIVE與INACTIVE鍊錶間快速跳躍。
2.2 slab****快取回收
slab快取回收相對比較靈活，所有註冊到shrinker_list中的方法都會被執行。
核心預設針對每個檔案系統都註冊了prune_super方法，這個函數用來回收檔案系統中不再使用的dentry和inode快取；
android的lowmemorykiller機制註冊了選擇性殺死進程的方法，回收進程使用的記憶體。
3****怎麼回收頁框

#

其中shrink_page_list是真正回收頁面的過程

#4週期性回收的頻率

#4.1 kswapd
kswapd是核心為每個記憶體node創建的記憶體回收線程，為什麼有了緊缺回收機制還需要週期性回收呢？因為有些記憶體分配是不允許阻塞等待回收的，例如中斷和異常處理程序中的記憶體分配；還有些記憶體分配不允許啟動I/O存取的。只有少數情況的記憶體缺乏可以完整執行回收過程，所以利用系統空閒時間回收記憶體非常必要。
此函數記錄了上一次均衡操作時所使用的分配order，如果kswapd_max_order大於上一次的值，或classzone_idx小於上一次的值，則呼叫balance_pgdat再次均衡該記憶體域，否則可以進行短暫休眠，休眠的時間是HZ /10，對於arm(HZ=100)來說，休眠的時間就是1ms。
balance_pgdat均衡操作直到該記憶體域的zone_wartermark_ok為止。
4.2 cache_reap
cache_reap用來回收slab中的空閒對象，如果空閒對象可以還原成一個頁面，則釋放回buddy system。每次呼叫cache_reap會把所有的slab_caches遍歷一遍，之後休眠2*HZ，對於arm(HZ=100)來說，週期就是20ms。

總之，Linux kernel記憶體回收機制是一個非常重要的概念，可以幫助你更好地理解Linux系統中的記憶體管理。如果你想了解更多關於這個概念的信息，可以查看本文提供的參考資料。

5 參考文獻

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

以上是Linux kernel記憶體回收機制：深入理解記憶體管理的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！