linux kernel內存回收機制

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linux kernel內存回收機制

做者：itrocker 發佈於：2015-11-12 20:37 分類：內存管理

不管計算機上有多少內存都是不夠的，於是linux kernel須要回收一些不多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：若是一個不多使用的頁的後備存儲器是一個塊設備（例如文件映射），則能夠將內存直接同步到塊設備，騰出的頁面能夠被重用；若是頁面沒有後備存儲器，則能夠交換到特定swap分區，再次被訪問時再交換回內存；若是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），那麼在當前不須要的狀況下可直接丟棄。

 

1 回收的時機

 

 

2 哪些內存能夠回收

2.1 頁框的回收

LRU(Least Recently Used)，近期最少使用鏈表，是按照近期的使用狀況排列的，最少使用的存在鏈表末尾，經過如下宏定義便可看出：

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

每一個zone有5個LRU鏈表用以存放各類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個鏈表中的頁面是能夠回收的。ANON表明匿名映射，沒有後備存儲器；FILE表明文件映射。

頁面回收時，會優先回收INACTIVE的頁面，只有當INACTIVE頁面不多時，纔會考慮回收ACTIVE頁面。

爲了評估頁的活動程度，kernel引入了PG_referend和PG_active兩個標誌位。爲何須要兩個位呢？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，可是什麼時候清楚呢？爲此須要維護大量的內核定時器，這種方法註定是要失敗的。

使用兩個標誌，能夠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。

 

 

基本上有如下步驟：

（1）若是頁是活動的，設置PG_active位，並保存在ACTIVE LRU鏈表；反之在INACTIVE；

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

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

（4）再次進入mark_page_accessed。若是發現PG_referenced已被置位，意味着page_referenced沒有執行檢查，於是對於mark_page_accessed的調用比page_referenced更頻繁，這意味着頁面常常被訪問。若是該頁位於INACTIVE鏈表，將其移動到ACTIVE，此外還會設置PG_active標誌位，清除PG_referenced；

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

若是對內存頁的訪問是穩定的，那麼對page_referenced和mark_page_accessed的調用在本質上是均衡的，於是頁面保持在當前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，全部註冊到shrinker_list中的方法都會被執行。

內核默認針對每一個文件系統都註冊了prune_super方法，這個函數用來回收文件系統中再也不使用的dentry和inode緩存；

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

3怎樣回收頁框

 

 

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是內核爲每一個內存node建立的內存回收線程，爲何有了緊缺回收機制還須要週期性回收呢？由於有些內存分配是不容許阻塞等待回收的，好比中斷和異常處理程序中的內存分配；還有些內存分配不容許激活I/O訪問的。只有少數狀況的內存緊缺能夠完整執行回收過程，因此利用系統空閒時間回收內存很是必要。

該函數記錄了上一次均衡操做時所用的分配order，若是kswapd_max_order大於上一次的值，或者classzone_idx小於上一次的值，則調用balance_pgdat再次均衡該內存域，不然能夠進行短暫休眠，休眠的時間是HZ/10，對於arm(HZ=100)來講，休眠的時間就是1ms。

balance_pgdat均衡操做直到該內存域的zone_wartermark_ok爲止。

4.2 cache_reap

cache_reap用來回收slab中的空閒對象，若是空閒對象能夠還原成一個頁面，則釋放回buddy system。每次調用cache_reap會把全部的slab_caches遍歷一遍，以後休眠2*HZ，對於arm(HZ=100)來講，週期就是20ms。

5 參考文獻

(1)《understanding the linux kernel》

(2)《professional linux kernel architecture》