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內(nèi)存 是操作系統(tǒng)非常重要的資源，操作系統(tǒng)要運行一個程序，必須先把程序代碼段的指令和數(shù)據(jù)段的變量從硬盤加載到內(nèi)存中，然后才能被運行。如下圖所示：

但內(nèi)存資源是有限的，隨著系統(tǒng)中運行的進程越來越多，系統(tǒng)中可用的內(nèi)存就會越來越少。那么，當可用內(nèi)存不足時，Linux 內(nèi)核是怎么處理的呢?

本文將會介紹，當可用內(nèi)存不足時，Linux 內(nèi)核的處理方式。

一、內(nèi)存不足的處理方式

我們思考一下，當系統(tǒng)的可用內(nèi)存不足時，進程繼續(xù)申請內(nèi)存會發(fā)生什么事情?

當系統(tǒng)的可用內(nèi)存不足時，內(nèi)核為了保證進程有足夠的內(nèi)存可用，將會對內(nèi)存進行回收工作。內(nèi)存回收工作主要包括以下幾個步驟：

• 內(nèi)核為了加速某些操作(如文件 I/O)，會對操作的結果進行緩存(如文件頁緩存)，而緩存使用的內(nèi)存是可以被回收的。所以，當可用內(nèi)存不足時，首先會回收內(nèi)核中的緩存。
• 如果回收內(nèi)核緩存后，系統(tǒng)的可用內(nèi)存仍然處于不足。那么，內(nèi)核將會觸發(fā) swap 機制。swap 機制會將某些進程所占用的內(nèi)存交換(寫入)到硬盤中，然后釋放這些內(nèi)存，從而讓系統(tǒng)有更多可用的內(nèi)存。本文將會重點介紹 swap 機制。
• 如果觸發(fā) swap 機制后，系統(tǒng)的可用內(nèi)存仍不能滿足系統(tǒng)需求，那么將會觸發(fā) OOM(Out Of Memory) 機制。OOM 機制將會挑選一些進程，然后將這些進程殺死來，從而獲取更多可用內(nèi)存。

由于回收內(nèi)存的方式有三種，所以本文重點以 swap 機制作為分析對象，來介紹當內(nèi)存不足時，內(nèi)核是怎么進行內(nèi)存回收工作的。

二、swap機制原理

在分析 swap 機制的實現(xiàn)前，我們先來介紹一下 swap 機制的原理。

本文使用 Linux-2.6.23 版本內(nèi)核。

swap 這個單詞是 交換 的意思，顧名思義就是把某些進程所占用的內(nèi)存交換(寫入)到硬盤，然后把內(nèi)存釋放給操作系統(tǒng)，這樣操作系統(tǒng)就有更多可用的內(nèi)存。如下圖所示：

由于 swap 機制的本質是將進程所占用的內(nèi)存寫入到硬盤中，然后釋放這些內(nèi)存。那么，就涉及到應該將哪些進程的內(nèi)存交換到硬盤中。

每個進程都不希望自己占用的內(nèi)存被交換到硬盤中，因為內(nèi)存被交換到硬盤后，如果進程要使用到這些內(nèi)存時，必須先將這些內(nèi)存從硬盤中加載到內(nèi)存中，才能繼續(xù)使用，這樣進程的性能將會大打折扣。正因為這個原因，內(nèi)核必須提供一種最優(yōu)的方案來挑選一些內(nèi)存交換到硬盤，并且對進程性能的影響降到最小。

由于進程的內(nèi)存空間分為多個段，如 代碼段、數(shù)據(jù)段、mmap段、堆段 和 棧段 等。那么，哪些段的內(nèi)存會被交換到硬盤中呢?

答案就是：所有段的內(nèi)存都有可能交換到硬盤。不過對于 代碼段 和 mmap段 這些與文件有映射關系的內(nèi)存區(qū)，只需要將數(shù)據(jù)寫回到文件即可(由于代碼段的內(nèi)容不會改變，所以不用進行回寫)。

而對于 數(shù)據(jù)段、堆段 和 棧段 這些段中的內(nèi)存頁，由于沒有與文件進行映射(稱為 匿名內(nèi)存頁)，所以內(nèi)核必須提供一個文件(或硬盤分區(qū))來存儲這些內(nèi)存頁的數(shù)據(jù)，這個文件(或硬盤分區(qū))被稱為 交換分區(qū)。

從上面的分析可以得出兩個重要的信息：

匿名內(nèi)存頁：沒有與任何文件進行映射的內(nèi)存頁。

交換分區(qū)：用于存儲匿名內(nèi)存頁數(shù)據(jù)的文件或硬盤分區(qū)。

下面主要介紹當系統(tǒng)內(nèi)存不足時，內(nèi)核是怎樣將進程的 匿名內(nèi)存頁 寫入到 交換分區(qū) 中，并且回收這些 匿名內(nèi)存頁 的。

1. LRU 內(nèi)存淘汰算法

當系統(tǒng)內(nèi)存不足，并且觸發(fā) swap機制 時，內(nèi)核應該選擇哪些 匿名內(nèi)存頁 寫入到 交換分區(qū) 中呢?如果隨機選擇一些 匿名內(nèi)存頁 寫入到 交換分區(qū)，就有可能出現(xiàn)如下問題：

把某個進程的 匿名內(nèi)存頁 寫入到 交換分區(qū) 后，進程又馬上訪問這個內(nèi)存頁，從而又要把這個內(nèi)存頁從 交換分區(qū) 中讀入到內(nèi)存中。這樣只會增加系統(tǒng)的負荷，并且不能解決系統(tǒng)內(nèi)存不足的問題。

為了解決這個問題，Linux 內(nèi)核引入了 LRU內(nèi)存淘汰算法，用過 Memcached 或者 Redis 的同學應該都了解過 LRU算法。當系統(tǒng)內(nèi)存不足時，Memcached 和 Redis 都是使用 LRU算法 來淘汰內(nèi)存的。

LRU(Least Recently Used) 中文翻譯是 最近最少使用 的意思，其原理就是：當內(nèi)存不足時，淘汰系統(tǒng)中最少使用的內(nèi)存，這樣對系統(tǒng)性能的損耗是最小的。

為了實現(xiàn) LRU算法，內(nèi)核維護了兩個雙向鏈表：active_list 和 inactive_list。下面介紹下這兩個鏈表的作用：

• active_list：活躍內(nèi)存頁鏈表。也就是說進程會經(jīng)常訪問這個鏈表中的內(nèi)存頁，所以進行內(nèi)存淘汰時，不應該淘汰這個鏈表中的內(nèi)存頁。
• inactive_list：不活躍內(nèi)存頁鏈表。也就是說進程很少會訪問這個鏈表中的內(nèi)存頁，所以進行內(nèi)存淘汰時，主要淘汰這個鏈表中的內(nèi)存頁。

在 Linux 內(nèi)核中，每個 內(nèi)存區(qū)(zone) 都會維護著一個 active_list 和一個 inactive_list。內(nèi)存區(qū) 是內(nèi)存管理中的一個對象，為了描述更加清晰，我們暫時當成內(nèi)核中只有一個內(nèi)存區(qū)，也就是說暫時認為內(nèi)核中只維護著一個 active_list 和一個 inactive_list。如下圖所示：

另外，每個內(nèi)存頁都有個 PG_referenced 的標志位，表示此內(nèi)存頁是否被訪問過，這個標志位在內(nèi)存回收過程中起著至關重要的作用。

當某個進程申請一個匿名內(nèi)存頁時，內(nèi)核會把這個內(nèi)存頁添加到 活躍內(nèi)存頁鏈表(active_list) 中，并且將 PG_referenced 標志位設置為 0。如下圖所示：

而當某個匿名內(nèi)存頁被進程訪問時，根據(jù)內(nèi)存頁所在的 LRU 鏈表作不同的操作：

• 如果內(nèi)存頁原來處于 活躍鏈表 中，那么就會把此內(nèi)存頁的 PG_referenced 設置為 1。
• 如果內(nèi)存頁原來處于 非活躍鏈表 中，并且 PG_referenced 為 0。那么將內(nèi)存頁的 PG_referenced 標志位設置為 1。
• 如果內(nèi)存頁原來處于 非活躍鏈表 中，并且 PG_referenced 為 1。那么將會把內(nèi)存頁從 非活躍鏈表 移動到 活躍鏈表，并且將 PG_referenced 設置為 0。

下圖展示了上述各種情況的流轉過程：

而當系統(tǒng)內(nèi)存不足時，需要進行內(nèi)存淘汰過程。內(nèi)存頁淘汰過程與上述過程剛好相反，下面介紹一下內(nèi)存頁淘汰的過程。

內(nèi)存淘汰時，只能從 非活躍鏈表 中進行淘汰，淘汰過程如下：

• 從 非活躍鏈表 的尾部開始進行內(nèi)存淘汰，如果內(nèi)存頁的 PG_referenced 標志位為 1 時，將跳過此內(nèi)存頁，并且將此內(nèi)存頁的 PG_referenced 標志位設置為 0。
• 如果內(nèi)存頁的 PG_referenced 標志位為 0 時，那么將此內(nèi)存頁寫入到 交換分區(qū) 中，并且將所有與此內(nèi)存頁的映射解除綁定，然后釋放此內(nèi)存頁。

上述過程是由 shrink_inactive_list 函數(shù)完成，如下圖所示：

另外，處于 活躍鏈表 的內(nèi)存頁也有衰退的過程，衰退過程如下：

• 如果內(nèi)存頁的 PG_referenced 標志位為 1，那么衰退過程將會把此內(nèi)存頁的 PG_referenced 標志位設置為 0。
• 如果內(nèi)存頁的 PG_referenced 標志位為 0，那么衰退過程將會把此內(nèi)存頁移動到 非活躍鏈表 中。

上述過程是由 shrink_active_list 函數(shù)完成，如下圖所示：

2. LRU算法狀態(tài)流轉

我們最后以一張狀態(tài)流轉圖來描述 LRU 算法的過程：

三、總結

本文主要介紹了 Linux 內(nèi)核內(nèi)存回收過程中使用的 LRU 算法的原理，在下一篇文章中，我們將會介紹 Linux 內(nèi)核是如何實現(xiàn)內(nèi)存回收的，有興趣的敬請期待。