linux kernel内存回收机制

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linux kernel内存回收机制

做者：itrocker 发布于：2015-11-12 20:37 分类：内存管理

不管计算机上有多少内存都是不够的，于是linux kernel须要回收一些不多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：若是一个不多使用的页的后备存储器是一个块设备（例如文件映射），则能够将内存直接同步到块设备，腾出的页面能够被重用；若是页面没有后备存储器，则能够交换到特定swap分区，再次被访问时再交换回内存；若是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），那么在当前不须要的状况下可直接丢弃。

 

1 回收的时机

 

 

2 哪些内存能够回收

2.1 页框的回收

LRU(Least Recently Used)，近期最少使用链表，是按照近期的使用状况排列的，最少使用的存在链表末尾，经过如下宏定义便可看出：

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

每一个zone有5个LRU链表用以存放各类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个链表中的页面是能够回收的。ANON表明匿名映射，没有后备存储器；FILE表明文件映射。

页面回收时，会优先回收INACTIVE的页面，只有当INACTIVE页面不多时，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。为何须要两个位呢？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，可是什么时候清楚呢？为此须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，能够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。

 

 

基本上有如下步骤：

（1）若是页是活动的，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，负责该工做的是mark_page_accessed函数；

（3）PG_referenced以及由逆向映射提供的信息用来肯定页面活动程度，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。若是发现PG_referenced已被置位，意味着page_referenced没有执行检查，于是对于mark_page_accessed的调用比page_referenced更频繁，这意味着页面常常被访问。若是该页位于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，在页面活动程度减小时，可能连续调用两次page_referenced而中间没有mark_page_accessed。

若是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，于是页面保持在当前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，全部注册到shrinker_list中的方法都会被执行。

内核默认针对每一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再也不使用的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是内核为每一个内存node建立的内存回收线程，为何有了紧缺回收机制还须要周期性回收呢？由于有些内存分配是不容许阻塞等待回收的，好比中断和异常处理程序中的内存分配；还有些内存分配不容许激活I/O访问的。只有少数状况的内存紧缺能够完整执行回收过程，因此利用系统空闲时间回收内存很是必要。

该函数记录了上一次均衡操做时所用的分配order，若是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，不然能够进行短暂休眠，休眠的时间是HZ/10，对于arm(HZ=100)来讲，休眠的时间就是1ms。

balance_pgdat均衡操做直到该内存域的zone_wartermark_ok为止。

4.2 cache_reap

cache_reap用来回收slab中的空闲对象，若是空闲对象能够还原成一个页面，则释放回buddy system。每次调用cache_reap会把全部的slab_caches遍历一遍，以后休眠2*HZ，对于arm(HZ=100)来讲，周期就是20ms。

5 参考文献

(1)《understanding the linux kernel》

(2)《professional linux kernel architecture》