深入学习Linux内核页框回收

算法

1.选择目标页

2.PFRA设计

3.反向映射

3.1.匿名页的反向映射

3.2.try_to_unmap_anon()函数

3.3.try_to_unmap_one()函数

映射页的反向映射

优先搜索树

try_to_unmap_file()函数

PFRA实现

最近最少使用(LRU)链表

在LRU链表之间移动页

mark_page_accessed()函数

page_referenced()函数

refill_inactive_zone()函数

内存紧缺回收

free_more_memory()函数

try_to_free_pages()函数

shrink_caches()函数

shrink_zone()函数

shrink_cache()函数

shrink_list()函数

pageout()函数

回收可压缩磁盘高速缓存的页

从目录项高速缓存回收页框

从索引节点高速缓存回收页框

周期回收

kswapd内核线程

cache_reap()函数

内存不足删除程序

交换标记

交换

交换区

创建与激活交换区

如何在交换区中分布页

交换区描述符

换出页标识符

激活和禁用交换区

sys_swapon()服务例程

sys_swapoff()服务例程

try_to_unuse()函数

分配和释放页槽

scan_swap_map()函数

get_swap_page()函数

swap_free()函数

交换高速缓存

交换高速缓存的实现

交换高速缓存的辅助函数

换出页

向交换高速缓存插入页框

更新页表项

将页写入交换区

从交换高速缓存中删除页框

换入页

do_swap_page()函数

read_swap_cache_async()函数

算法

Linux内核的页框回收算法(page frame reclaiming algorithm，PFRA)采取从用户态进程和内核高速缓存“窃取”页框的办法补充伙伴系统的空闲块列表。

1.选择目标页

页框回收算法(PFRA)的目标就是获得页框并使之空闲。显然，PFRA选取的页框肯定不是空闲的，即这些页框原本不在伙伴系统的任何一个free_area数组中。PFRA按照页框所含内容，以不同的方式处理页框。

我们将它们区分成：不可回收页、可交换页、可同步页和可丢弃页，如表17-1所示。

页框类型	说明	回收操作
不可回收页	空闲页，保留页（PG_reserved），内核动态分配页，进程内核态堆栈页，临时锁定页（PG_locked），内存锁定页（VM_LOCKED）	无需回收
可交换页	用户态地址空间的匿名线性区的页（用户态堆，用户态栈），tmpfs文件系统的映射页（IPC共享内存页）	将页的内容写入磁盘交换区
可同步页	用户态地址空间有名线性区（又可分为匿名映射，文件映射）下的页，存有磁盘文件数据且在高速缓存中的页，块设备缓存区页	将页内容写入磁盘对应位置
可丢弃页	用于slab的页	无需操作

采用mmap得到的用户态线性区中的页称为可同步的，为回收页框，内核必须检查页是否为脏，而且必要时将页的内容写到相应的磁盘文件中。

进程的匿名线性区(如进程的用户态堆和堆栈对应的线性区)中的页称为可交换的，为回收页框，内核必须将页中内容保存到一个专门的磁盘分区或磁盘文件，叫做“交换区”。tmpfs下的映射页用于实现IPC共享内存，也算可交换的。

当PFRA必须回收属于某进程用户态地址空间的页框时，它必须考虑页框是否为共享的。共享页框属于多个用户态地址空间，而非共享页框属于单个用户态地址空间。同一线程组内多个线程共享一个用户态地址空间。

2.PFRA设计

让我们先看看PFRA采用的几个总的原则，这些原则包含在本章后面介绍的几个函数中。

首先释放“无害”页

先回收没有被任何进程使用的磁盘高速缓存，内存高速缓存中的页框。

再回收被进程使用的页框。

将用户态进程的所有页定为可回收页，除了锁定页，FPRA必须能够窃得任何用户态进程页，包括匿名页。
同时取消引用一个共享页框的所有页表项的映射，就可以回收该共享页框。当PFRA要释放几个进程共享的页框时，它就清空引用该页框的所有页表项，然后回收该页框。
只回收“未用”页。使用简化的最近最少使用(Least Recently Used，LRU)置换算法，PFRA将页分为“在用(in_use)”与“未用(unused)”。如果某页很长时间没有被访问，那么它将来被访问的可能性较小，就可以将它看作未用；另一方面，如果某页最近被访问过，那么它将来被访问的可能性较大，就必须将它看作在用。PFRA只回收未用页。

Linux使用每个页表项中的访问标志位(Accessed)，在页被访问时，该标志位由硬件自动置位；而且，页年龄由页描述符在链表(两个不同的链表之一)中的位置来表示。因此，页框回收算法是几种启发式方法的混合：

(1). 谨慎选择检查高速缓存的顺序。
(2). 基于页年龄的变化排序(在释放最近访问的页之前，应当释放最近最少使用的页)。
(3). 区别对待不同状态的页(例如，不脏的页与脏页之间，最好把前者换出，因为前者不必写磁盘)。

3.反向映射

Linux 2.6内核能够快速定位指向同一页框的所有页表项。这个过程就叫做反向映射(reverse mapping)。实际上，对任何可回收的用户态页，内核保留系统中该页所在所有线性区(“对象”)的反向链接，每个线性区描述符存放一个指针指向一个内存描述符，而该内存描述符又包含一个指针指向一个页全局目录(Page Global Directory)。因此，这些反向链接使得PFRA能够检索引用某页的所有页表项。因为线性区描述符比页描述符少，所以更新共享页的反向链接就比较省时间。我们来看看这一方法是如何实现的。

首先，PFRA必须要确定待回收页是共享的或是非共享的，以及是映射页或是匿名页。为做到这一点，内核要查看页描述符的两个字段：_mapcount和mapping。_mapcount字段存放引用页框的页表项数目。计数器的起始值为-1，这表示没有页表项引用该页框；如果值为0，就表示页是非共享的；而如果值大于0，则表示页是共享的。

page_mapcount函数接收页描述符地址，返回值为_mapcount + 1 (这样，如返回值为1，表明是某个进程的用户态地址空间中存放的一个非共享页)。

页描述符的mapping字段用于确定页是映射的或匿名的。说明如下：

如果mapping字段空，则该页属于交换高速缓存。
如果mapping字段非空，且最低位是1，表示该页为匿名页；同时mapping字段中存放的是指向anon_vma（用于找到匿名线性区）描述符的指针。
如果mapping字段非空，且最低位是0，表示该页为映射页；同时mapping字段指向对应文件的address_space（用于找到位于磁盘后备对象）对象。

PageAnon()：函数接收页描述符地址作为参数，如果mapping字段的最低位置位，则函数返回1；否则返回0。
try_to_unmap()：函数接收页描述符指针作为参数，尝试清空所有引用该页描述符对应页框的页表项。如果从页表项中成功清除所有对该页框的应用，函数返回SWAP_SUCCESS (0)；如果有些引用不能清除，函数返回SWAP_AGAIN(1)；如果出错，函数返回SWAP_FAIL

这个函数很短：

int try_to_unmap(struct page *page)
{int ret;if(PageAnon(page))ret = try_to_unmap_anon(page);elseret = try_to_unmap_file(page);if(!page_mapped(page))ret = SWAP_SUCCESS;return ret;
}

函数try_to_unmap_anon()和try_to_unmap_file()分别处理匿名页和映射页。后面会对这两个函数加以说明。

3.1.匿名页的反向映射

匿名页的共享主要在父子进程间。将引用同一个页框的所有匿名页链接起来的策略非常简单，即将该页框所在的匿名线性区存放在一个双向循环链表中。当为一个匿名线性区分配第一页时，内核创建一个新的anon_vma数据结构，它只有两个字段：lock和head。lock字段是竞争条件下保护链表的自旋锁；head字段是线性区描述符双向循环链表的头部。然后，内核将匿名线性区的vm_area_struct描述符插入anon_vma链表。为实现这个目的，vm_area_struct数据结构中包含有对应该链表的两个字段：anon_vma_node（自身作为一个节点存在于双向链表）和anon_vma（指向双向链表哨兵节点）。最后，按前面所述，内核将anon_vma数据结构的地址存放在匿名页描述符的mapping字段。调用fork()系统调用实现匿名页父子间共享时，内核只是将第二个进程的匿名线性区插入anon_vma数据结构的双向循环链表。

3.2.try_to_unmap_anon()函数

当回收匿名页框时，PFRA必须扫描anon_vma链表中的所有线性区，仔细检查是否每个区域都存有一个匿名页，而其对应的页框就是目标页框。

try_to_unmap_anon()：

参数：

目标页框描述符

主要步骤：

获得anon_vma数据结构的自旋锁，页描述符的mapping字段指向该数据结构。
扫描线性区描述符的anon_vma链表。对该链表中的每一个vma线性区描述符，调用try_to_unmap_one()函数，传给它参数vma和页描述符。如果由于某种原因返回值为SWAP_FAIL，或如果页描述符的_mapcount字段表明已找到所有引用该页框的页表项，那么停止扫描，而不用扫描到链表底部。
释放第1步得到的自旋锁。
返回最后调用try_to_unmap_one()函数得到的值：SWAP_AGAIN(部分成功)或SWAP_FAIL(失败)。

3.3.try_to_unmap_one()函数

try_to_unmap_one()函数由try_to_unmap_anon()和try_to_unmap_file()重复调用。参数：

page，是一个指向目标页描述符的指针；
vma，而vma是指向线性区描述符的指针。

步骤：

计算出待回收页的线性地址，所依据的参数有：线性区的起始线性地址(vma->vm_start)、被映射文件的线性区偏移量(vma->vmpgoff)，被映射文件内的页偏移量(page->index，这说明匿名页在多个共享其的线性区内相对于线性区起始的偏移一致)。对于匿名页，vma->vmpgoff字段是0 或者 vm_start / PAGE_SIZE；相应地，page->index字段是区域内的页索引或是页的线性地址除以PAGE_SIZE。
如果目标页是匿名页，则检查页的线性地址是否在线性区内。如果不是，则结束并返回SWAP_AGAIN。
从vma->vm_mm得到内存描述符地址，并获得保护页表的自旋锁vma->vm_mn->page_table_lock。
成功调用pgd_offset()、pud_offset()、pmd_offset()和pte_offset_map()以获得对应目标页线性地址的页表项地址。
执行一些检查来验证目标页可有效回收。下面的检查步骤中，如果任何一步失败，函数跳到第(12)步，结束并返回一个有关的错误码：SWAP_AGAIN或SWAP_FAIL。
1. 检查指向目标页的页表项。如果不成功，则函数返回SWAP_AGAIN。这可能在以下几种情形下发生：
1. 指向页框的页表项与COW关联，而vma标识的匿名线性区仍然属于原页框的anon_vma链表。
2. mremap()系统调用可重新映射线性区，并通过直接修改页表项将页移到用户态地址空间。这种特殊情况下，因为页描述符的index字段不能用于确定页的实际线性地址，所以面向对象的反向映射就不能使用了。
1. 文件内存映射是非线性的。
2. 验证线性区不是锁定(VM_LOCKED)或保留(VM_RESERVED)的。如果有锁定(VM_LOCKED)或保留情况之一出现，函数就返回SWAP_FAIL。
3. 验证页表项中的访问标志位(Accessed)被清0。如果没有，该函数将它清0，并返回SWAP_FAIL。访问标志位置位表示页在用，因此不能被回收。 d. 检查页是否属于交换高速缓存，且此时它正由get_user_pages()处理。在这种情形下，为避免恶性竞争条件，函数返回SWAP_FAIL。
页可以被回收。如果页表项的Dirty标志位置位，则将页的PG_dirty标志置位。
清空页表项，刷新相应的TLB。这样就取消了匿名页在一个页表中的注册。
如果是匿名页，函数将换出页(swapped-out page)标识符插入页表项，以便将来访问时将该页换入。而且，递减存放在内存描述符anon_rss字段中的匿名页计数器。因为匿名页变为空闲页框的逻辑是：
1. 解除匿名页与所有进程联系
2. 将匿名页现有内容写入磁盘
3. 此时匿名页变为空闲页。可作为空闲页框进行物理内存分配。
4. 每个使用此匿名页的页表中表项需要能包含此页表项指向了一个暂时不在内存的页。且包含此页在磁盘的定位信息。
递减存放在内存描述符rss字段中的页框计数器。
递减页描述符的_mapcount字段，因为对用户态页表项中页框的引用已被删除。
递减存放在页描述符_count字段中的页框使用计数器。如果计数器变为负数，则从活动或非活动链表中删除页描述符，活动或非活动链表中的页框都是分配出去供外部使用的。现在将页描述符移除，表明对应页框不再供外部使用。而且调用free_hot_page()释放页框，释放后此页框成为空闲页框便可被页框分配器用于新的分配。
释放第3步中获得的自旋锁vma->vm_mm->page_table_lock。
返回相应的错误码(成功时返回SWAP_AGAIN)。

映射页的反向映射

共享匿名页框的数量不是很大，因此用双向链表记录所有使用匿名页框的线性区可行。映射页的共同使用者可能较多，因此，Linux2.6依靠叫做“优先搜索树(priority search tree)”的结构来快速定位引用同一页框的所有线性区。因为映射页描述符的mapping字段指向address_space对象，所以总是能够快速检索搜索树的根。

优先搜索树

Linux 2.6使用的优先搜索树(PST)是基于Edward McCreight于1985年提出的一种数据结构，用于表示一组相互重叠的区间。McCreight树是一个堆和对称搜索树的混合体，且用于对一个区间集进行查询。PST中的每一个区间相当于一个树的节点，它由基索引(radix index)和堆索引(heap index)两个索引来标识。基索引表示区间的起始点而堆索引表示终点。除了基索引和堆索引，PST的每个节点附带一个大小索引(size index)。该大小索引的值为线性区大小(页数)减1。

该大小索引使搜索程序能够区分同一起始文件位置的不同线性区。然而，大小索引会大大增加不同的节点数，会使PST溢出。特别是，当有很多节点具有相同的基索引但堆索引不同时，PST就无法全部容下它们。为了解决这个问题，PST可以包括溢出子树(overflow subtree)，该子树以PST的叶为根，且包含具有相同基索引的节点。

此外，不同进程拥有的线性区可能是映射了相同文件的相同部分(如上面提及的标准C 库)。在这种情况下，对应这些区域的所有节点具有相同的基索引、堆索引和大小索引。当必须在PST中插入一个与现存某个节点具有相同索引值(基索引、堆索引和大小索引都相同)的线性区时，内核将该线性区描述符插入一个以原PST节点为根的双向循环列表。

图17-2所示是一个简单的优先搜索树。在图的左侧，我们看到有七个线性区覆盖着一个文件的前六页。每个区间都标有基索引、堆索引和大小索引。在图的右侧，则是对应的PST。注意，子节点的堆索引都不大于相应父节点的堆索引。而且我们可以看到，任意一个节点的左子节点基索引也都不大于右子节点基索引，如果基索引相等，则按照大小索引排序。让我们假定：PFRA搜索包含某页(索引为5)的全部线性区。搜索算法从根(0,5,5)开始，因为相应区间包含该页，那么这就是得到的第一个线性区。然后算法搜索根的左子节点(0,4,4)，比较堆索引(4)和页索引，因为堆索引较小，所以区间不包括该页。而且，有了PST的类堆属性，该节点的所有子节点都不包括该页。因此，算法直接跳到根的右子节点(2,3,5)，其相应区间包含该页，因此得到这个区间。然后，算法搜索子节点(1,2,3)和(2,0,2)，但它们都不包含该页。

因篇幅有限，我们对实现Linux PST的数据结构与函数无法作详尽阐述。我们只讨论由prio_tree_node数据结构表示的一个PST节点。该数据结构在每个线性区描述符的shared.prio_tree_node字段中。shared.vm_set数据结构作为shared.prio_tree_node 的替代品，可以用来将线性区描述符插入一个PST节点的链表副本。可以用vma_prio_tree_insert()和vma_prio_tree_remove()函数分别插入和删除PST节点。两个函数的参数都是线性区描述符地址与PST根地址。对PST的搜索可调用vma_prio_tree_foreach宏来实现，该宏循环搜索所有线性区描述符，这些描述符在给定范围的线性地址中包含至少一页。

try_to_unmap_file()函数

try_to_unmap_file()函数由try_to_unmap()调用，并执行映射页的反向映射。当为线性内存映射时，该函数就很容易描述。这种情况下，它执行的步骤如下：

获得page->mapping->i_mmap_lock自旋锁。
对搜索树应用vma_prio_tree_foreach()宏，搜索树的根存放在page->mapping->i_mmap字段。对宏发现的每个vm_area_struct描述符，函数调用try_to_unmap_one()，尝试对该页所在的线性区页表项清0。如果由于某种原因，返回SWAP_FAIL，或者如果页描述符的_mapcount字段表明引用该页框的所有页表项都已找到，则搜索过程马上结束。
释放page->mapping->i_mmap_lock自旋锁。
根据所有的页表项清0与否，返回SWAP_AGAIN或SWAP_FAIL。如果映射是非线性的，那么try_to_unmap_one()函数可能无法清0某些页表项，这是因为页描述符的index字段(该字段存放文件中页的位置)不再对应线性区中的页位置，

try_to_unmap_one()函数就无法确定页的线性地址，也就无法得到页表项地址。唯一的解决方法是对文件非线性线性区的穷尽搜索。双向链表以文件的所有非线性线性区的描述符所在的page->mapping文件的address-space对象的i_rmap_nonlinear字段为根。对每个这样的线性区，try_to_unmap_file()函数调用try_to_unmap_cluster()，而try_to_unmap_cluster()函数会扫描该线性区线性地址所对应的所有页表项，并尝试将它们清0。因为搜索可能很费时，所以执行有限扫描，而且通过试探法决定扫描线性区的哪一部分，vma_area_struct描述符的vm_private_data字段存有当前扫描的当前指针。因此，try_to_unmap_file()函数在某些情况下可能会找不到待停止映射的页。出现这种情况时，try_to_unmap()函数发现页仍然是映射的，那么返回SWAP_AGAIN而不是SWAP_SUCCESS。

PFRA实现

页框回收算法必须处理多种属于用户态进程、磁盘高速缓存的页，“内存高速缓存”（slab中页），而且必须遵照几条试探法准则。因此，PFRA有很多函数也就不奇怪了。图17-3列出了PFRA的主要函数，箭头表示函数调用。例如，try_to_free_pages()函数调用shrink_caches()、shrink_slab()和out_of_memory()三个函数。

正如你所看到的，PFRA有几个入口(entry point)。实际上，页框回收算法的执行有三种基本情形：

内存紧缺回收，内核发现内存紧缺睡眠回收，在进入suspend-to-disk状态时，内核必须释放内存周期回收，必要时，周期性激活内核线程执行内存回收算法

内存紧缺回收在下列几种情形下激活：

grow_buffers()函数(由__getblk()调用)无法获得新的缓冲区页。
alloc_page_buffers()函数(由create_empty_buffers()调用)无法获得页临时缓冲区首部。
__alloc_pages()函数无法在给定的内存管理区(memory zone)中分配一组连续页框。

周期回收由下面两种不同的内核线程激活：

kswapd内核线程，它检查某个内存管理区中空闲页框数是否已低于pages_high值的标高。
events内核线程，它是预定义工作队列的工作者线程；PFRA周期性地调度预定义工作队列中的一个任务执行，从而回收slab分配器处理的位于"内存高速缓存"中的所有空闲slab。

最近最少使用(LRU)链表

属于进程用户态地址空间或页高速缓存的所有页被分成两组：活动链表与非活动链表。它们被统称为LRU链表。前面一个链表用于存放最近被访问过的页；后面的则存放有一段时间没有被访问过的页。显然，页必须从非活动链表中窃取。页的活动链表和非活动链表是页框回收算法的核心数据结构。这两个双向链表的头分别存放在每个zone描述符的active_list（双向链表哨兵节点）和inactive_list（双向链表哨兵节点）字段，而该描述符的nr_active和nr_inactive字段表示存放在两个链表中的页数。最后，lru_lock字段是一个自旋锁，保护两个链表免受SMP系统上的并发访问。

如果页属于LRU链表，则设置页描述符中的PG_1ru标志。此外，如果页属于活动链表，则设置PG_active标志，而如果页属于非活动链表，则清PG_active标志。页描述符的lru字段（双向链表的节点）存放指向LRU链表中下一个元素和前一个元素的指针。另外有几个辅助函数处理LRU链表：

add_page_to_active_list()，将页加入管理区的活动链表头部并递增管理区描述符的nr_active字段。
add_page_to_inactive_list()，将页加入管理区的非活动链表头部并递增管理区描述符的nr_inactive字段。
del_page_from_active_list()，从管理区的活动链表中删除页并递减管理区描述符的nr_active字段
del_page_from_inactive_list()，从管理区的非活动链表中删除页并递减管理区描述符的nr_inactive字段。
del_page_from_lru()，检查页的PG_active标志。依据检查结果，将页从活动或非活动链表中删除，递减管理区描述符的nr_active或nr_inactive字段，且如有必要，将PG_active标志清0。
activate_page()，检查PG_active标志，如果未置位(页在非活动链表中)，将页移到活动列表中，依次调用del_page_from_inactive_list()和add_page_to_active_list()，最后将PG_active标志置位。在移动页之前，获得管理区的lru_lock自旋锁。
lru_cache_add()，如果页不在LRU链表中，将PG_lru标志置位，得到管理区的lru_lock自旋锁，调用add_page_to_inactive_list()把页插入管理区的非活动链表。
lru_cache_add_active()，如果页不在LRU链表中，将PG_lru和PG_active标志置位，得到管理区的lru_lock自旋锁，调用add_page_to_active_list()把页插入管理区的活动链表。

事实上，最后两个函数，lru_cache_add()和lru_cache_add_active()稍有些复杂。这两个函数实际上并没有立刻把页移到LRU，而是在pagevec类型的临时数据结构中聚集这些页，每个结构可以存放多达14个页描述符指针。只有当一个pagevec结构写满了，页才真正被移到LRU链表中。这种机制可以改善系统性能，这是因为只当LRU链表实际修改后才获得LRU自旋锁。

在LRU链表之间移动页

PFRA把最近访问过的页集中放在活动链表中，以便当查找要回收的页框时不扫描这些页。相反，PFRA把很长时间没有访问的页集中放在非活动链表中。当然，应该根据页是否正被访问，把页从非活动链表移到活动链表或者退回。显然，两个状态(“活动”和“非活动”)是不足以描述所有可能的访问模式的。

页不应该在每次单独的访问中就改变自己的状态似乎是合理的。在页描述符中的PG_referenced标志用来把一个页从非活动链表移到活动链表所需的访问次数加倍；也把一个页从活动链表移到非活动链表所需的“丢失访问”次数加倍。

例如，假定在非活动链表中的一个页其PG_referenced标志为0。第一次访问把这个标志置为1，但是这一页仍然留在非活动链表中。第二次对该页访问时发现这一标志被设置，因此，把页移到活动链表。但是，如果第一次访问之后在给定的时间间隔内第二次访问没有发生，那么页框回收算法就可能重置PG_referenced标志。

从非活动变为活动，先是被引用，再是活动。被引用后一段时间内没有触发变为活动的访问，则取消被引用。如图17-4所示，PFRA使用mark page_accessed()、page_referenced()和refill_inactive_zane()函数在LRU链表之间移动页。在图中，包含有页的LRU链表由PG_active标志的状态表示。

mark_page_accessed()函数

当内核必须把一个页标记为访问过时，就调用mark_page_accessed()函数。每当内核决定一个页是被用户态进程、文件系统层还是设备驱动程序引用时，这种情况就会发生。例如，在下列情况下调用mark_page_accessed()：

当按需装入进程的一个匿名页（从磁盘交换区装入内存）时(由do_anonymous_page()函数执行)。
当按需装入内存映射文件的一个页（磁盘文件内容装入内存）时(由filemap_nopage()函数执行)。
当按需装入IPC共享内存区的一个页时(由shmem_nopage()函数执行)。
当从文件读取数据页时(由do_generic_file_read()函数执行)。
当换入一个页时(由do_swap_page()函数执行)。
当在页高速缓存中搜索一个缓冲区页时。

mark_page_accessed()函数执行下列代码片段：

if(!PageActive(page)&& PageReferenced(page) && PageLRU(page)){activate_page(page);ClearPageReferenced(page);// 激活的同时取消引用
} else if(!PageReferenced(page〉)SetPageReferenced(page);// 从非引用变为引用

如图17-4所示，该函数调用前，只有当PG_referenced标志置位，它才把页从非活动链表移到活动链表。

page_referenced()函数

PFRA扫描一页调用一次page_referenced()函数，如果PG_referenced标志或页表项中的某些Accessed标志位置位，则该函数返回1；否则返回0。该函数首先检查页描述符的PG_referenced标志。如果标志置位则清0。然后使用面向对象的反向映射方法，对引用该页的所有用户态页表项中的Accessed标志位进行检查并清0。为此，函数用到三个辅助函数：page_referenced_anon()、page_referenced_file()和page_referenced_one()，从活动链表到非活动链表移动页由refill_inactive_zone()函数实施的。refill_inactive_zone()函数除此之外还有其他很多功能。

refill_inactive_zone()函数

如图17-3所示，refill_inactive_zone()函数由shrink_zone()调用，而shrink_zone()函数对页高速缓存和用户态地址空间进行页回收。此函数有两个参数：zone和sc。指针zone指向一个内存管理区描述符；指针sc指向一个scan_control结构。PFRA广泛使用scan_control这个数据结构，该结构存放着回收操作执行时的有关信息。

开始时，对每次调用，扫描非活动链表中少量的页，但是当PFRA很难回收内存时，refill_inactive_zone()在每次调用时就逐渐增加扫描的活动页数。scan_control数据结构中priority字段的值控制该函数的行为(低值表示更紧迫的优先级)。还有一个试探法可以调整refill_inactive_zone()函数行为。LRU链表中有两类页：属于用户态地址空间的页、不属于任何用户态进程且在页高速缓存中的页。

如前所述，PFRA倾向于压缩页高速缓存，而将用户态进程的页留在RAM中。refill_inactive_zone()函数使用交换倾向(swap tendency)经验值，由它确定函数是移动所有的页还是只移动不属于用户态地址空间的页。函数按如下公式计算交换倾向值：交换倾向值=映射比率 / 2 + 负荷值 + 交换值。映射比率(mapped ratio)是用户态地址空间所有内存管理区的页(sc->nr_mapped)占所有可分配页框数的百分比。mapped_ratio的值大表示动态内存大部分用于用户态进程，而值小则表示大部分用于页高速缓存。负荷值(distress)用于表示PFRA在管理区中回收页框的效率。其依据是前一次PFRA运行时管理区的扫描优先级，这个优先级存放在管理区描述符的prev_priority字段。

交换值(swappiness)是一个用户定义常数，通常为60。系统管理员可以在/proc/sys/vm/swappiness文件内修改这个值，或用相应的sysct1()系统调用调整这个值。只有当管理区交换倾向值大于等于100时，页才从进程地址空间回收。

那么当系统管理员将交换值设为0时，PFRA就不会从用户态地址空间回收页，除非管理区的前一次优先级为0(这不大可能发生)。如果系统管理员将交换值设为100，那么PFRA每次调用该函数时都会从用户态地址空间回收页。

下面是refill_inactive_zone()函数执行步骤的一个简要说明：

调用1ru_add_drain()，把仍留在pagevec数据结构中的所有页移入活动与非活动链表。
获得zone->lru_lock自旋锁。
对zone->active_list中的页进行首次扫描，从链表的底部开始向上，一直执行下去，直到链表为空或sc->nr_to_scan的页扫描完毕。在这一次循环中每扫描一页，函数就将引用计数器加1，从zone->active_list中删除页描述符，把它放在临时局部链表l_hold中。但是如果页框引用计数器是0，则把该页放回活动链表。实际上，引用计数器为0的页框一定属于管理区的伙伴系统，但释放页框时，首先递减使用计数器，然后将页框从LRU链表删除并插入伙伴系统链表。因此在一个很小的时间段，PFRA可能会发现LRU链表中的空闲页。
把已扫描的活动页数追加到zone->pages_scanned。
从zone->nr_active中减去移入局部链表1_hold中的页数。
释放zone->lru_lock自旋锁。
计算交换倾向值。
对局部链表1_hold中的页运行第二次循环。这次循环的目的是：把其中的页分到两个子链表l_active和l_inactive中。属于某个进程用户态地址空间的页(即page->_mapcount为非负数的页)被加入l_active的条件是：交换倾向值小于100，或者是匿名页但又没有激活的交换区，或者应用于该页的page_referenced()函数返回正数(正数表示该页最近被访问过)。而任何其他情形下，页被加入l_inactive链表。获得zone->lru_lock自旋锁。
对局部链表l_inactive中的页执行第三次循环。把页移入zone->inactive_list链表，更新zone->nr_inactive字段，同时递减被移页框的使用计数器，从而抵消第3步中增加的值。
对局部链表l_active中的页执行第四次也是最后一次循环。把页移入zone->active_list链表，更新zone->nr_active字段，同时递减被移页框的使用计数器，从而抵消第3步中增加的值。
释放自旋锁zone->lru_lock并返回。 refill_inactive_zone()只检查用户态地址空间页的PG_referenced标志。相反的情况是，页在活动链表的底部，也就是较长时间以前被访问过，那么不大可能会在近期被访问。如果页属于某个用户态进程且最近被使用过，那么函数也不会将页从活动链表删除。

内存紧缺回收

当内存分配失败时激活内存紧缺回收。在图17-3中，在分配VFS缓冲区或缓冲区首部时，内核调用free_more_memory()；而当从伙伴系统分配一个或多个页框时，调用try_to_free_pages()。

free_more_memory()函数

调用wakeup_bdflush()唤醒一个pdflush内核线程，并触发页高速缓存中1024个脏页的写操作。写脏页到磁盘的操作将最终使包含缓冲区、缓冲区首部和其他VFS数据结构的页框成为可释放的。
调用sched_yield()系统调用的服务例程，为pdflush内核线程提供执行机会。
对系统的所有内存节点，启动一个循环。
对每一个节点，调用try_to_free_pages()函数，传给它的参数是一个“紧缺”内存管理区链表(在80x86体系结构中是ZONE_DMA和ZONE_NORMAL。

try_to_free_pages()函数

参数：

zones，要回收的页所在的内存管理区链表。
gfp_mask，用于失败的内存分配的一组分配标志。
order，没有使用。

该函数的目标就是通过重复调用shrink_caches()和shrink_slab()函数释放至少32 个页框，每次调用后优先级会比前一次提高。有关的辅助函数可以获得scan_control 类型描述符中的优先级，以及正在进行的扫描操作的其他参数。最低的、也是初始的优先级是12，而最高的、也是最终的优先级是0。如果try_to_free_pages()没能在某次(共13次)调用shrink_caches()和shrink_slab()函数时成功回收至少32个页框，PFRA就要黔驴技穷了。最后一招：删除一个进程，释放它的所有页框。

这一操作由out_of_memory()函数执行。该函数主要执行如下步骤：

分配和初始化一个scan_control描述符，具体说就是把分配掩码gfp_mask存入gfp_mask字段。
对zones链表中的每个管理区，将管理区描述符的temp_priority字段设为初始优先级12，而且计算管理区LRU链表中的总页数。
从优先级12到0，执行最多13次的循环，每次迭代执行如下子步骤：
1. 更新scan_control描述符的一些字段。具体地，把用户态进程的总页数存入nr_mapped字段，把本次迭代的当前优先级存人priority字段。而且将nr_scanned和nr_reclaimed字段设为0。
2. 调用shrink_caches()，传给它zones链表和scan_control描述符地址作为参数。这个函数扫描管理区的非活动页。
3. 调用shrink_slab()从可压缩内核高速缓存中回收页。
4. 如果current->reclaim_state非空，则将slab分配器高速缓存中回收的页数追加到scan_control描述符的nr_reclaimed字段。在调用try_to_free_pages()函数之前，__alloc_pages()函数建立current->reclaim_state字段，并在结束后马上清除该字段。
5. 如果已达目标(scan_control描述符的nr_reclaimed字段大于等于32)，则跳出循环到第4步。
6. 如果未达目标，但已扫描完成至少49页，则调wakeup_bdflush()激活pdflush内核线程，并将页高速缓存中的一些脏页写入磁盘。如果函数已完成4次迭代而又未达目标，则调用blk_congestion_wait()挂起进程，直到没拥塞的WRITE请求队列或100ms超时已过。

把每个管理区描述符的prev_priority字段设为上一次调用shrink_caches()使用的优先级，该值存放在管理区描述符的temp_priority字段。
如果成功回收则返回1，否则返回0。

shrink_caches()函数

shrink_caches()函数由try_to_free_pages()调用，它有两个参数：内存管理区链表zones和scan_control描述符地址sc。该函数的目的只是对zones链表中的每个管理区调用shrink_zone()函数。但对给定管理区调用shrink_zone()之前，shrink_caches()函数用sc->priority字段的值更新管理区描述符的temp_priority字段，这就是扫描操作的当前优先级。而且如果PFRA的上一次调用优先级高于当前优先级，即这个管理区进行页框回收变得更难了，那么shrink_caches()把当前优先级拷贝到管理区描述符的prev_priority。最后，如果管理区描述符中的all_unreclaimable标志置位，且当前优先级小于12，则shrink_caches()不调用shrink_zone()，也就是说，在try_to_free_pages()的第一迭代中不调用shrink_caches()。当PFRA确定一个管理区都是不可回收页，扫描该管理区的页纯粹是浪费时间时，则将all_unreclaimable标志置位。

shrink_zone()函数

shrink_zone()函数有两个参数：zone和sc。zone是指向struct_zone描述符的指针；sc是指向scan_control描述符的指针。该函数的目标是从管理区非活动链表回收32页。它每次在更大的一段管理区非活动链表上重复调用辅助函数shrink_cache()，以期达到目标。

而且shrink_zone()重复调用refill_inactive_zone()函数来补充管理区非活动链表。管理区描述符的nr_scan_active和nr_scan_inactive字段在这里起到很重要的作用。为提高效率，函数每批处理32页。因此如果函数在低优先级运行(对应sc->priority 的高值)，且某个LRU链表中没有足够的页，函数就跳过对这个链表的扫描。但因此跳过的活动或不活动页数就分别存放在nr_scan_active或nr_scan_inactive中，这样函数下次执行时再处理这些跳过的页。

shrink_zone()函数的具体执行步骤如下：

递增zone->nr_scan_active，增量是活动链表(zone->nr_active)的一小部分。实际增量取决于当前优先级，其范围是： zone->nr_active / 2 ^ 12到zone->nr_active / 2(即管理区内的总活动页数)。
递增zone->nr_scan_inactive，增量是非活动链表(zone->nr_inactive)的一小部分。实际增量取决于当前优先级，其范围是：zone->nr_inactive / 2 ^ 12到zone->nr_inactive。
如果zone->nr_scan_active字段大于等于32，函数就把该值赋给局部变量nr_active，并把该字段设为0，否则把nr_active设为0。
如果zone->nr_scan_inactive字段大于等于32，函数就把该值赋给局部变量nr_inactive，并把该字段设为0，否则把nr_inactive设为0。
设定scan_control描述符的sc->nr_to_reclaim字段为32。
如果nr_active和nr_inactive都为0，则无事可做，函数结束。这不常见，用户态进程没有被分配到任何页时才可能出现这种情形。
如果nr_active为正，则补充管理区非活动链表：

sc->nr_to_scan = min(nr_active,32);
nr_active -= sc->nr_to_scan;
refill_inactive_zone(zone,sc);

如果nr_inactive为正，则尝试从非活动链表回收最多32页：

sc->nr_to_scan = min(nr_inactive,32);
nr_inactive -= sc->nr_to_scan;
shrink_cache(zone,sc);

如果shrink_zone()成功回收32页(现在sc->nr_to_reclaim小于等于0)，则结束；否则，跳回第6步。

shrink_cache()函数

shrink_cache()函数又是一个辅助函数，它的主要目的就是从管理区非活动链表取出一组页，把它们放入一个临时链表，然后调用shrink_list()函数对这个链表中的每一页进行有效的页框回收操作。

shrink_cache()函数的参数与shrink_zones()一样，都是zone和sc，执行的主要步骤如下：

调用lru_add_drain()，把仍然在pagevec数据结构中的页移入活动与非活动链表。
获得zone->lru_lock自旋锁。
处理非活动链表中的页(最多32页)，对于每一页，函数递增使用计数器；检查该页是否不会被释放到伙伴系统；把页从管理区非活动链表移入一个局部链表。
把zone->nr_inactive计数器的值减去从非活动链表中删除的页数。
递增zone->pages_scanned计数器的值，增量为在非活动链表中有效检查的页数。
释放zone->lru_lock自旋锁。
调用shrink_list()函数，传给它上面第3步中搜集的页。
把sc->nr_to_reclaim字段的值减去由shrink_list()实际回收的页数。
再次获取zone->lru_lock自旋锁。
把局部链表中shrink_list()没有成功释放的页放回非活动或活动链表。注意，shrink_list()有可能置位PG_active标志，从而将某页标记为活动页。这一操作使用pagevec数据结构对一组页进行处理。
如果函数扫描的页数至少是sc->nr_to_scan，且如果没有成功回收目标页数(即sc->nr_to_reclaim仍然大于0)，则跳回第3步。
释放zone->lru_lock自旋锁并结束。

shrink_list()函数

我们现在讨论页框回收算法的核心部分。从try_to_free_pages()到shrink_cache()函数，前面所述这些函数的目的就是找到一组适合回收的候选页。shrink_list()函数则从参数page_list链表中尝试回收这些页，该函数的第二个参数sc是指向scan_control 描述符的指针。当shrink_list()返回时，page_list链表中剩下的是无法回收的页。

函数执行步骤如下：

如果当前进程的need_resched字段置位，则调用schedule()。
执行一个循环，处理page_list链表中的每一页。对其中每个元素，从链表中删除页描述符并尝试回收该页框。如果由于某种原因页框不能释放，则把该页描述符插入一个局部链表。
现在page_list已空，函数再把页描述符从局部链表移回page_list链表。
递增sc->nr_reclaimed字段，增量为第2步中回收的页数，并返回这个数。当然，shrink_list()函数尝试回收页框的代码确实很有意思。图17-5是这段代码的流程图。

shrink_list()处理的每个页框只可能有三种结果：

调用free_cold_page()函数，把页释放到管理区伙伴系统，因此被有效回收。
页没有被回收，因此被重新插入page_list链表。但是shrink_list()假设不久还能回收该页。因此函数让页描述符的PG_active标志保持清0，这样页将被放回内存管理区的非活动链表。这种情况对应于图17-5中标为“INACTIVE”的小方框。
页没有被回收，因此被重新插入page_list链表。但是，或是页正被使用，或是shrink_list()假设近期无法回收该页。函数将页描述符的PG_active标志置位，这样页将被放回内存管理区的活动链表。这种情况对应于图17-5中标为“ACTIVE”的小方框。

shrink_list()函数不会去回收锁定页(PG_locked置位)与写回页(PG_writeback 置位)。shrink_list()调用page_referenced()函数检查该页是否最近被引用过，要回收匿名页，就必须把它加入交换高速缓存，那么就必须在交换区为它保留一个新页槽(slot)。如果页在某个进程的用户态地址空间(页描述符的_mapcount字段大于等于0)，则shrink_list()调用try_to_unmap()寻找引用该页框的所有页表项。当然，只有当这个函数返回SWAP_SUCCESS时，回收才可继续。如果是脏页，则写回磁盘前不能回收、为此，shrink_list()使用pageout()。只有当pageout()不必进行写操作或写操作不久将结束时，回收才可继续。

如果页包含VFS缓冲区，则shrink_list()调用try_to_release_page()释放关联的缓冲区首部。最后，如果一切顺利，shrink_list()就检查页的引用计数器。若等于2，那么这两个拥有者就是：页高速缓存(如果是匿名页，则为交换高速缓存)和PFRA自己(shrink_cache()函数中第3步中会递增引用计数器，参见前面)。这种情况下，如果页仍然不为脏，则页可以回收。为此，首先根据页描述符的PG_swapcache标志的值，从页高速缓存或交换高速缓存删除该页，然后，执行函数free_cold_page()。

pageout()函数

当一个脏页必须写回磁盘时，shrink_list()调用pageout()函数。函数执行的主要步骤如下：

检查页存放在页高速缓存还是交换高速缓存中。进一步检查该页是否由页高速缓存(或交换高速缓存)与PFRA拥有。如果检查失败，则返回PAGE_KEEP。
检查address_space对象的writepage方法是否已定义。如果没有，则返回PAGE_ACTIVATE。
检查当前进程是否可以向块设备(与address_space对象对应)请求队列发出写请求。实际上，kswapd和pdflush内核线程总会发出写请求；而普通进程只有在请求队列不拥塞的情况下才能发出写请求，除非current->backing_dev_info字段指向块设备的backing_dev_info数据结构。
检查是否仍然是脏页。如果不是则返回PAGE_CLEAN。
建立一个writeback_control描述符，调用address_space对象的writepage方法以启动一个写回操作。
如果writepage方法返回错误码，则函数返回PAGE_ACTIVATE。
返回PAGE_SUCCESS。

回收可压缩磁盘高速缓存的页

内核在页高速缓存之外还使用其他磁盘高速缓存，例如，目录项高速缓存与索引节点高速缓存。当要回收其中的页框时，PFRA就必须检查这些磁盘高速缓存是否可压缩。 PFRA处理的每个磁盘高速缓存在初始化时必须注册一个shrinker函数。 shrinker函数有两个参数：待回收页框数和一组GFP分配标志。函数按照要求从磁盘高速缓存回收页，然后返回仍然留在高速缓存内的可回收页数。

set_shrinker()函数向PFRA注册一个shrinker函数。该函数分配一个shrinker类型的描述符，在该描述符中存放shrinker函数的地址，然后把描述符插入一个全局链表，该链表存放在shrinker_list全局变量中，set_shrinker()函数还初始化shrinker 描述符的seeks字段，通俗地说，这个字段表示：在高速缓存中的元素一旦被删除，那么重建一个所需的代价。

在Linux2.6.11中，向PFRA注册的磁盘高速缓存很少。除了目录项高速缓存和索引节点高速缓存之外，注册shrinker函数的只有磁盘限额层、文件系统元信息块高速缓存(主要用于文件系统扩展属性)和XFS日志文件系统。从可压缩磁盘高速缓存回收页的PFRA函数叫作shrink_slab()，它由try_to_free_pages()和balance_pgdat()调用。(函数名有点误导，因为该函数与slab分配器高速缓存没什么关系)。

对于从可压缩磁盘高速缓存回收的代价与及从LRU链表回收的代价之间，shrink_slab()函数试图作出一种权衡。实际上，函数扫描shrinker描述符的链表，调用这些shrinker函数并得到磁盘高速缓存中总的可回收页数。然后，函数再一次扫描shrinker描述符的链表，对于每个可压缩磁盘高速缓存，函数推算出待回收页框数。推算考虑的因素有：磁盘高速缓存中总的可回收页数、在磁盘高速缓存中重建一页的相关代价、LRU链表中的页数。然后再调用shrinker函数尝试回收一组页(至少128页)。因篇幅所限，我们只简单讨论目录项高速缓存和索引节点高速缓存的shrinker函数。

从目录项高速缓存回收页框

shrink_dcache_memory()函数是目录项高速缓存的shrinker函数。它搜索高速缓存中的未用目录项对象，即没有被任何进程引用的目录项对象，然后将它们释放。由于目录项高速缓存对象是通过slab分配器分配的，因此shrink_dcache_memory()函数可能导致一些slab变成空闲的，这样有些页框就可以被cache_reap()回收。此外，目录项高速缓存起索引节点高速缓存控制器的作用，因此，当一个目录项对象被释放时，存放相应索引节点对象的页就可以变为未用，而最终被释放。

shrink_dcache_memory()函数接收两个参数：待回收页框数和GFP掩码。一开始，它检查GFP掩码中的__GFP_FS标志位是否清0。如果是则返回-1，因为释放目录项可能触发基于磁盘文件系统的操作。通过调用prune_dcache()，就可以有效地进行页框回收。该函数扫描未用目录项链表(该链表的头部存放在dentry_unused变量中)，一直到获得请求数量的释放对象或整个链表扫描完毕。对每个最近未被引用的对象，函数执行如下步骤：

把目录项对象从目录项散列表、从其父目录中的目录项对象链表、从拥有者索引节点的目录项对象链表中删除。
调用d_iput目录项方法(如果定义)或者iput()函数减少目录项的索引节点的引用计数器。
调用目录项对象的d_release方法(如果定义)。
调用call_rcu()函数以注册一个会删除目录项对象的回调函数，该回调函数又调用kmem_cache_free()把对象释放给slab分配器。
减少父目录的引用计数器。

最后，依据仍然留在目录项高速缓存中的未用目录项数，shrink_dcache_memory()返回一个值。更准确地说，返回值是未用目录项数乘以100除以sysctl_vfs_cache_pressure全局变量的值。该变量的系统默认值是100，因此返回值实际就是未用目录项数。但是通过修改文件/proc/sys/vm/yfs_cache_pressure或通过有关的sysct1()系统调用，系统管理员可以改变这个变量值。把值改为小于100，则使shrink_slab()从目录项高速缓存回收的页少于从LRU链表中回收的页。反之，如把值改为大于100，则使shrink_slab()从目录项高速缓存回收的页多于从LRU链表中回收的页。

从索引节点高速缓存回收页框

shrink_icache_memory()函数被调用来从索引节点高速缓存删除未用索引节点对象。“未用”就是指索引节点不再有一个控制目录项对象。这个函数非常类似于刚描述的shrink_dcache_memory()。它检查gfp_mask参数的__GFP_FS位，然后调用prune_icache()，最后与前面一样，依据仍然留在索引节点高速缓存中的未用索引节点数和sysctl_vfs_cache_pressure变量的值，返回一个值。

prune_icache()函数又扫描inode_unused链表。要释放一个索引节点，函数必须释放与该索引节点关联的任何私有缓冲区，它使页高速缓存内(引用该索引节点的)不再使用的干净页框无效，然后通过调用clear_inode()和destroy_inode()函数来删除索引节点对象。

周期回收

PFRA用两种机制进行周期回收：kswapd内核线程和cache_reap函数。前者调用shrink_zone()和shrink_slab()从LRU链表中回收页；后者则被周期性地调用以便从slab分配器中回收未用的slab。

kswapd内核线程

kswapd内核线程是激活内存回收的另外一种机制。为什么还需要这个内核线程呢？当空闲内存变得紧缺并且发出另一个内存分配请求时，调用try_to_free_pages()还不足够吗?

有些内存分配请求是由中断和异常处理程序执行的，它们不会阻塞等待释放页框的当前进程；还有，有些内存分配请求是由已经获得对临界资源互斥访问权限，因此就不能激活I/O数据传送的内核控制路径实现的。在极少的情况下，所有的内存分配请求都是由这种内核控制路径完成的，因此内核将永远不能释放空闲内存。kswapd利用机器空闲的时间保持内存空闲也对系统性能有良好的影响，进程因此能很快获得自己的页。

每个内存节点对应各自的kswapd内核线程。每个这样的线程通常睡眠在等待队列中，该等待队列以节点描述符的kswapd_wait字段为头部。但是，如果__alloc_pages()发现所有适合内存分配的内存管理区包含的空闲页框数低于“警告”阈值(一个依据内存管理区描述符的pages_low 和protection字段推算出来的值)时，那么相应内存节点的kswapd内核线程被激活。

从本质上说，为了避免更多紧张的“内存紧缺”的情形，内核才开始回收页框。每个管理区描述符还包括字段pages_min和pages_high。前者表示必须保留的最小空闲页框数阈值；后者表示“安全”空闲页框数阈值，即空闲页框数大于该阈值时，应该停止页框回收。

kswapd内核线程执行kswapd()函数。内核线程被初始化的内容是：把线程绑定到访问内存节点的CPU；再把reclaim_state描述符地址存入进程描述符的current->reclaim_state字段；把current->flags字段的PF_MEMALLOC和PF_KSWAP标志置位，其含义是进程将回收内存，运行时允许使用全部可用空闲内存。每当kswapd内核线程被唤醒，kswapd ()函数执行下列主要操作：

调用finish_wait()从节点的kswapd_wait等待队列删除内核线程。
调用balance_pgdat()对kswapd的内存节点进行内存回收。
调用prepare_to_wait()把进程设成TASK_INTERRUPTIBLE状态，并让它在节点的kswapd_wait等待队列中睡眠。
调用schedule()让CPU处理一些其他可运行进程。

balance_pgdat()函数又执行下面的主要步骤：

建立scan_control描述符。
把内存节点的每个管理区描述符中的temp_priority字段设为12(最低优先级)。
执行一个循环，从12到0最多13次迭代。每次迭代执行下列子步骤：

扫描内存管理区，寻找空闲页框数不足的最高管理区(从ZONE_DMA到ZONE_HIGHMEM)。由zone_watermark_ok()函数进行每次的检测。如果所有管理区都有大量空闲页框，则跳到第4步。

对一部分管理区再一次进行扫描，范围是从ZONE_DMA到第3a步找到的管理区。对每个管理区，必要时用当前优先级更新管理区描述符的prev_priority字段，且连续调用shrink_zone()以回收管理区中的页。然后，调用shrink_slab()从可压缩磁盘高速缓存回收页。

如果已有至少32页被回收，则跳出循环至第4步。用各自temp_priority字段的值更新每个管理区描述符的prev_priority字段。如果仍有“内存紧缺”管理区存在，且如果进程的need_resched字段置位，则调用schedule()。当再一次执行时，跳到第1步。

返回回收的页数。

cache_reap()函数

PFRA还必须回收slab分配器高速缓存的页。为此，它使用cache_reap()函数，该函数周期性(差不多每两秒一次)地在预定事件工作队列中被调度。它的地址存放在每CPU变量reap_work 的func字段，该变量为work_struct类型。

cache_reap()函数主要执行如下步骤： (1). 尝试获得cache_chain_sem信号量，该信号量保护slab高速缓存描述符链表。如果信号量已取得，就调用schedule_delayed_work()去调度该函数的下一次执行，然后结束。 (2). 否则，扫描存放在cache_chain链表中的kmem_cache_t描述符。对找到的每一个高速缓存描述符，函数执行以下步骤： a. 如果高速缓存描述符的SLAB_NO_REAP标志置位，则页框回收被禁止，因此处理链表中的下一个高速缓存。 b. 清空局部slab高速缓存，则会有新的slab被释放。 c. 每个高速缓存都有“收割时间(reap time)”，该值存放在高速缓存描述符中kmem_list3结构的next_reap字段。如果jiffies值仍然小于next_reap，则继续处理链表中的下一个高速缓存。 d. 把存放在next_reap字段的下一次“收割时间”设为：从现时起的4s。 e. 在多处理器系统中，函数清空slab共享高速缓存，那么会有新的slab被释放。 f. 如有新的slab最近被加入高速缓存，即高速缓存描述符中kmem_list3结构的free_touched置位，那么跳过这个高速缓存，继续处理链表中的下一个高速缓存。 g. 根据经验公式计算要释放的slab数量。基本上，这个数取决于高速缓存中空闲对象数的上限和能装入单个slab的对象数。 h. 对高速缓存空闲slab链表中的每个slab，重复调用slab_destroy()，一直到链表为空或者已回收目标数量的空闲slab。 i. 调用cond_resched()检查当前进程的TIF_NEED_RESCHED标志，如果该标志置位，则调用schedule()。 (3). 释放cache_chain_sem信号量。 (4). 调用schedule_delayed_work()去调度该函数的下一次执行，然后结束。

内存不足删除程序

为满足一些紧迫请求，内核总试图释放内存，但是无法成功，这是因为交换区已满且所有磁盘高速缓存已被压缩。因此，没有进程可以继续执行，也就没有进程会释放它所拥有的页框。为应对这种突发情况，PFRA使用所谓的内存不足(out ofmemory,00M)删除程序，该程序选择系统中的一个进程，强行删除它并释放页框。当空闲内存十分紧缺且PFRA又无法成功回收任何页时，__alloc_pages()调用out_of_memory()函数。函数调用select_bad_process()在现有进程中选择一个“牺牲品”，然后调用oom_kill_process()删除该进程。

当然，select_bad_process()并不是随机挑选进程的。被选进程应满足下列条件：

它必须拥有大量页框，从而可以释放出大量内存。
删除它只损失少量工作成果(删除一个工作了几个小时或几天的批处理进程就不是个好主意)。
它应具有较低的静态优先级，用户通常给不太重要的进程赋予较低的优先级。
它不应是有root特权的进程，特权进程的工作通常比较重要。
它不应直接访问硬件块设备(如XWindow服务器)，因为硬件不能处在一个无法预知的状态。
它不能是swapper(进程0)、init(进程1)和任何其他内核线程。

select_bad_process()函数扫描系统中的每一个进程，根据以上准则用经验公式计算一个值，这个值表示选择这个进程的有利程度，然后返回最有利的被选进程描述符的地址。out_of_memory()函数再调用oom_kill_process()并发出死亡信号，该信号发给该进程的一个子进程，或如果做不到，就发给该进程本身。oom_kill_process()同时也删除与被选进程共享内存描述符的所有克隆进程。

交换标记

当系统内存不足时，PFRA全力把页写入磁盘以释放内存并从一些进程窃取相应的页框；而同时，这些进程要继续执行，也全力访问它们的页。因此内核把PFRA刚释放的页框又分配给这些进程，并从磁盘读回其内容。

其结果就是页被无休止地写入磁盘并且再从磁盘读回。大部分的时间耗在访问磁盘上，从而没有进程能实质性地运行下去。为减少交换失效的发生，一种由Jiang和Zhang在2004年提出的技术在内核版本2.6.9 中得到实现。即把所谓的交换标记(swap token)赋给系统中的单个进程，该标记可以使该进程免子页框回收，所以进程可以实质性地运行，而且即使内存十分稀少，也有希望运行至结束。交换标记的具体实现形式是swap_token_mm内存描述符指针。当进程拥有交换标记时，swap_token_mm被设为进程内存描述符的地址。

页框回收算法的免除以如此简洁的方式实现了。我们在“最近最少使用(LRU)链表”一节看到，只当最近没有被引用时，一页才可从活动链表移入非活动链表。page_referenced()函数进行这一检查。如果该页属于一个线性区，该区域所在进程拥有交换标记，那么该函数认可这个交换标记并返回1(被引用)。实际上，交换标记在几种情况下不予考虑：PFRA代表一个拥有交换标记的进程运行，以及PFRA达到页框回收的最难优先级(0级)。

grab_swap_token()函数决定是否将交换标记赋给当前进程。对每个主缺页(major page fault)调用该函数，这只有两种情形： (1). 当filemap_nopage()函数发现请求页不在页高速缓存中时。 (2). 当do_swap_page()函数从交换区读入一个新页时。

grab_swap_token()函数在分配交换标记之前要进行一些检查，具体地说，就是要满足下列条件才可赋予交换标记： (1). 上次调用grab_swap_token()后，至少已过了2s。 (2). 在上一次调用grab_swap_token()后，当前拥有交换标记的进程没再提出主缺页，或该进程拥有交换标记的时间超出swap_token_default_timeout个节拍。 (3). 当前进程最近没有获得过交换标记。

交换标记的持有时间最好长一些，甚至以分钟为单位，因为其目标就是允许进程完成其执行。在Linux 2.6.11中，交换标记的持有时间默认值很小，即一个节拍。但是，通过编辑/proc/sys/vm/swap_token_default_timeout文件或发出相应的sysct1()系统调用，系统管理员可以修改swap_token_default_timeout变量的值。当删除一个进程时，内核检查该进程是否拥有交换标记。如果是则放开它。这由mmput()函数实现。

交换

交换(swapping)用来为非映射页在磁盘上提供备份。从前面的讨论我们知道有三类页必须由交换子系统处理： (1). 属于进程（没有名字的线性区）匿名线性区(例如，用户态堆栈和堆)的页。—属于没有名字线性区的页 (2). 属于进程私有内存映射的脏页。—内存映射，映射所在的线性区也是匿名的 (3). 属于IPC共享内存区的页。—内存映射，映射所在的线性区也是匿名的。共享只限于父子进程间。

就像请求调页，交换对于程序必须是透明的。换句话说，不需要在代码中嵌入与交换有关的特别指令。我们知道每个页表项包含一个Present标志。内核利用这个标志来通知属于某个进程地址空间的页已被换出。在这个标志之外，Linux还利用页表项中的其他位存放换出页标识符(swapped-out page identifier)。该标识符用于编码换出页在磁盘上的位置。当缺页异常发生时，相应的异常处理程序可以检测到该页不在RAM中，然后调用函数从磁盘换入该缺页。

交换子系统的主要功能总结如下: (1). 在磁盘上建立交换区(swap area)，用于存放没有磁盘映像的页。 (2). 管理交换区空间。当需求发生时，分配与释放页槽(page slot)。 (3). 提供函数用于从RAM中把页换出(swap out)到交换区或从交换区换入(swap in)到RAM中。 (4). 利用页表项(现已被换出的换出页页表项)中的换出页标识符跟踪数据在交换区中的位置。总之，交换是页框回收的一个最高级特性。

如果我们要确保进程的所有页框都能被PFRA 随意回收，而不仅仅是回收有磁盘映像的页，那么就必须使用交换。当然，你可以用swapoff命令关闭交换，但此时随着磁盘系统负载增加，很快就会发生磁盘系统瘫痪。我们还需指出，交换可以用来扩展内存地址空间，使之被用户态进程有效地使用。

事实上，一个大交换区可允许内核运行几个大需求量的应用，它们的内存总需求量超过系统中安装的物理内存量。但是，就性能而言，RAM的仿真还是比不上RAM本身。进程对当前换出页的每一次访问，与对RAM中页的访问比起来，要慢几个数量级。简而言之，如果性能重要，那么交换仅仅作为最后一个方案；为了解决不断增长的计算需求增加RAM芯片的容量仍然是一个最好的方法。

交换区

从内存中换出的页存放在交换区(swap area)中，交换区的实现可以使用自己的磁盘分区，也可以使用包含在大型分区中的文件。可以定义几种不同的交换区，最大个数由MAX_SWAPFILES宏(通常被设置成32)确定。如果有多个交换区，就允许系统管理员把大的交换空间分布在几个磁盘上，以使硬件可以并发操作这些交换区；这样处理还允许在系统运行时不用重新启动系统就可以扩大交换空间的大小。

每个交换区都由一组页槽(page slot)组成，也就是说，由一组4096字节大小的块组成，每块中包含一个换出的页。交换区的第一个页槽用来永久存放有关交换区的信息，其格式由swap_header联合体(由两个结构info和magic组成)来描述。

magic结构提供了一个字符串，用来把磁盘某部分明确地标记成交换区，它只含有一个字段magic。magic，这个字段含有一个10字符的“magic”字符串。magic结构从根本上允许内核明确地把一个文件或分区标记成交换区，这个字符串的内容就是“SWAPSPACE2"。该字段通常位于第一个页槽的末尾。

info结构包括以下字段：

bootbits，交换算法不使用该字段。该字段对应于交换区的第一个1024字节，可以存放分区数据、磁盘标签等等。
version，交换算法的版本。
last_page，可有效使用的最后一个页槽。
nr_badpages，有缺陷的页槽的个数。
padding[125]，填充字节。
badpages[1]，一共637个数字，用来指定有缺陷页槽的位置。

创建与激活交换区

只要系统是打开的，存放在交换区中的数据就是有意义的。当系统被关闭时，所有的进程都被杀死，因此，进程存放在交换区中的数据也被丢弃。基于这个原因，交换区包含很少的控制信息，实际上包含交换区类型和有缺陷页槽的链表。这种控制信息很容易存放在一个单独的4KB页中。通常，系统管理员在创建Linux系统中的其他分区时都创建一个交换分区，然后使用mkswap命令把这个磁盘区设置成一个新的交换区。该命令对刚才介绍的第一个页槽中的字段进行初始化。由于磁盘中可能会有一些坏块，这个程序还可以对其他所有的页槽进行检查从而确定有缺陷页槽的位置。但是执行mkswap命令会把交换区设置成非激活的状态。

每个交换区都可以在系统启动时在脚本文件中被激活，也可以在系统运行之后动态激活。每个交换区由一个或多个交换子区(swap extent)组成，每个交换子区由一个swap_extent描述符表示，每个子区对应一组页(更准确地说，是一组页槽)，它们在磁盘上是物理相邻的。

swap_extent描述符由下面这几部分组成：交换区的子区首页索引、子区的页数和子区的起始磁盘扇区号。当激活交换区自身的同时，组成交换区的有序子区链表也被创建。存放在磁盘分区中的交换区只有一个子区；但是，存放在普通文件中的交换区则可能有多个子区，这是因为文件系统有可能没把该文件全部分配在磁盘的一组连续块中。

如何在交换区中分布页

当换出时，内核尽力把换出的页存放在相邻的页槽中，从而减少在访问交换区时磁盘的寻道时间，这是高效交换算法的一个重要因素。但是，如果系统使用了多个交换区，事情就变得更加复杂了。快速交换区(也就是存放在快速磁盘中的交换区)可以获得比较高的优先级。

当查找一个空闲页槽时，要从优先级最高的交换区中开始搜索。如果优先级最高的交换区不止一个，为了避免超负荷地使用其中一个，应该循环选择相同优先级的交换区。如果在优先级最高的交换区中没有找到空闲页槽，就在优先级次高的交换区中继续进行搜索，依此类推。

交换区描述符

每个活动的交换区在内存中都有自己的swap_info_struct描述符 flags字段包括三个重叠的子字段：

SWP_USED，如果交换区是活动的，该值就是1；如果交换区不是活动的，该值就是0。
SWP_WRITEOK，如果可以写入交换区，该值就是1；如果交换区只读，该值就是0(可以是活动的或不是活动的)。
SWP_ACTIVE，这个两位的字段实际上是SWP_USED和SWP_WRITEOK的组合。如果前面两个标志置位，那么SWP_ACTIVE标志置位。

swap_map字段指向一个计数器数组，交换区的每个页槽对应一个元素。如果计数器值等于0，那么这个页槽就是空闲的；如果计数器为正数，那么换出页就填充了这个页槽。实际上，页槽计数器的值就表示共享换出页的进程数。如果计数器的值为SWAP_MAP_MAX(等于32767)，那么存放在这个页槽中的页就是“永久”的，并且不能从相应的页槽中删除。如果计数器的值是SWAP_MAP_BAD(等于32768)，那么就认为这个页槽是有缺陷的，也就是不可用的。

prio字段是一个有符号的整数，表示交换子系统依据这个值考虑每个交换区的次序。 sdev_lock字段是一个自旋锁，它防止SMP系统上对交换区数据结构(主要是交换描述符)的并发访问。 swap_info数组包括MAX_SWAPFILES个交换区描述符。只有那些设置了SWP_USED 标志的交换区才被使用，因为它们是活动区域。图17-6说明了swap_info数组、一个交换区和相应的计数器数组的情况。

nr_swapfiles变量存放数组中包含或已包含所使用交换区描述符的最后一个元素的索引。
这个变量有些名不符实，它并没有包含活动交换区的个数。
活动交换区描述符也被插入按交换区优先级排序的链表中。
该链表是通过交换区描述符的next字段实现的，next字段存放的是swap_info数组中下一个描述符的索引。该字段作为索引的这种用法与我们已经见过的很多名为next字段的用法有所不同，后者通常都是指针。

swap_list_t类型的swap_list变量包括以下字段：

head，第一个链表元素在swap_info数组中的下标。
next，为换出页所选中的下一个交换区的描述符在swap_info数组中的下标。该字段用于在具有空闲页槽的最大优先级的交换区之间实现轮询算法。

swaplock自旋锁防止在多处理器系统中对链表的并发访问。交换区描述符的max字段存放以页为单位交换区的大小，而pages字段存放可用页槽的数目。这两个数字之所以不同是因为pages字段并没有考虑第一个页槽和有缺陷的页槽。最后，nr_swap_pages变量包含所有活动交换区中可用的(空闲并且无缺陷)页槽数目，而total_swap_pages变量包含无缺陷页槽的总数。

换出页标识符

可以很简单地而又唯一地标识一个换出页，这是通过在swap_info数组中指定交换区的索引和在交换区内指定页槽的索引实现的。由于交换区的第一个页(索引为0)留给swap_header联合体，第一个可用页槽的索引就为1。

swp_entry(type，offset)宏负责从交换区索引type和页槽索引offset中构造换出页标识符。 swp_type和swp_offset宏，分别从换出页标识符中提取出交换区索引和页槽索引。当页被换出时，其标识符就作为页的表项插入页表中，这样在需要时就可以再找到这个页。要注意这种标识符的最低位与Present标志对应，通常被清除来说明该页目前不在RAM中。但是，剩余31位中至少有一位被置位，因为没有页存放在交换区0的页槽0 中。这样就可以从一个页表项中区分三种不同的情况：

空项，该页不属于进程的地址空间，或相应的页框还没有分配给进程(请求调页)。
前31个最高位不全等于0，最后一位等于0，该页现在被换出。
最低位等于1，该页包含在RAM中。

注意，交换区的最大值由表示页槽的可用位数决定。在80x86体系结构上，有24位可用，这就限制了交换区的大小为2^24个页槽(也就是64GB)。由于一个页可以属于几个进程的地址空间(参见前面的“反向映射”一节)，所以它可能从一个进程的地址空间中被换出，但是仍旧保留在主存中；因此可能把同一个页换出多次。当然，一个页在物理上只被换出并存储一次，但是后来每次试图换出该页都会增加swap_map计数器的值。

在试图换出一个已经换出的页时就会调用swap_duplicate()函数。该函数只是验证以参数传递的换出页标识符是否有效，并增加相应的swap_map计数器的值。更确切地说，该函数执行以下操作：

使用swp_type和swp_offset宏从参数中提取出交换区号type和页槽索引offset。
检查交换区是否被激活；如果不是，则返回0(无效的标识符)。
检查页槽是否有效且是否不为空闲(swap_map计数器大于0且小于SWAP_MAP_BAD)；如果不是，则返回0(无效的标识符)。
否则，换出页的标识符确定出一个有效页的位置。如果页槽的swap_map计数器还没有达到SWAP_MAP_MAX，则增加它的值。
返回1(有效的标识符)。

激活和禁用交换区

一旦交换区被初始化，超级用户(或者更确切地说是任何具有CAP_SYS_ADMIN权能的用户)就可以分别使用swapon和swapoff程序激活和禁用交换区。这两个程序分别使用了swapon()和swapoff()系统调用，我们将简要介绍相应的服务例程。

sys_swapon()服务例程

sys_swapon()服务例程接收如下参数： specialfile，这个参数指向设备文件(或分区)的路径名(在用户态地址空间)，或指向实现交换区的普通文件的路径名。 swap_flags，这个参数由一个单独的SWAP_FLAG_PREFER位加上交换区优先级的3I位组成(只有在SWAP_FLAG_PREFER位置位时，优先级位才有意义)。

sys_swapon()函数对创建交换区时放入第一个页槽中的swap_header联合体字段进行检查。其执行的主要步骤有：

检查当前进程是否具有CAP_SYS_ADMIN权能。
在交换区描述符swap_info数组的前nr_swapfiles个元素中查找SWP_USED标志为0(即对应的交换区不是活动的)的第一个描述符。如果找到一个不活动交换区，则跳到第4步。
新交换区数组索引等于nr_swapfiles：它检查保留给交换区索引的位数是否足够用于编码新索引。如果不够，则返回错误代码；如果足够，就将nr_swapfiles的值加
找到未用交换区索引：它初始化这个描述符的字段，即把flags置为SWP_USED，把lowest_bit和highest_bit置为0。
如果swap_flags参数为新交换区指定了优先级，则设置描述符的prio字段。否则，就把所有活动交换区中最低的优先级减1后赋给这个字段(这样就假设最后一个被激活的交换区在最慢的块设备上)。如果没有其他交换区是活动的，就把该字段设置成-1。
从用户态地址空间复制由specialfile参数所指向的字符串。
调用filp_open()打开由specialfile参数指定的文件。
把filp_open()返回的文件对象地址存放在交换区描述符的swap_file字段。
检查swap_info中其他的活动交换区，以确认该交换区还未被激活。具体就是，检查交换区描述符的swap_file->f_mapping字段中存放的address_space对象地址。如果交换区已被激活，则返回错误码。
如果specialfile参数标识一个块设备文件，则执行下列子步骤：
1. 调用bd_claim()把交换子系统设置成块设备的占有者。如果块设备已有一个占有者，则返回错误码。
2. 把block_device描述符地址存入交换区描述符的bdev字段。
3. 把设备的当前块大小存放在交换区描述符的old_block_size字段，然后把设备的块大小设成4096字节(即页的大小)。
如果specialfile参数标识一个普通文件，则执行下列子步骤：
1. 检查文件索引节点i_flags字段中的S_SWAPFILE字段。如果该标志置位，说明文件已被用作交换区，返回错误码。
1. 把该文件所在块设备的描述符地址存入交换区描述符的bdev字段。
读入存放在交换区页槽0中的swap_header描述符。为达到这个目的，它调用read_cache_page()，并传入参数：由swap_file->f_mapping指向的address_space对象、页索引0、文件readpage方法的地址(存放在swap_file->f_mapping->a_ops->readpage)指向文件对象swap_file的指针。然后等待直到页被读入内存。
检查交换区中第一页的最后10个字符中的魔术字符串是否等于“SWAPSPACE2”。如果不是，就返回一个错误码。
根据存放在swap_header联合体的info.last_page字段中的交换区的大小，初始化交换区描述符的lowest_bit和highest_bit字段。
调用vmalloc()来创建与新交换区相关的计数器数组，并把它的地址存放在交换描述符的swap_map字段中。还要根据swap_header联合体的info.bad_pages字段中存放的有缺陷的页槽链表把这个数组的对应元素初始化成0或SWAP_MAP_BAD。
通过访问第一个页槽中的info.last_page和info.nr_badpages字段计算可用页槽的个数，并把它存入交换区描述符的pages字段。而且把交换区中的总页数赋给max字段。
为新交换区建立子区链表extent_list(如果交换区建立在磁盘分区上，则只有一个子区)，并相应地设定交换区描述符的nr_extents和curr_swap_extent字段。
把交换区描述符的flags字段设为SWP_ACTIVE。
更新nr_good_pages、nr_swap_pages和total_swap_pages三个全局变量。
把新交换区描述符插入swap_list变量所指向的链表中。
返回0(成功)。

sys_swapoff()服务例程

sys_swapoff()服务例程使specialfile参数所指定的交换区无效。sys_swapoff()比sys_swapon()复杂得多，也更加耗时，因为使之无效的这个分区现在可能仍然还包含几个进程的页。因此，强制该函数扫描交换区并把所有现有的页都换入。

由于每个换入操作都需要一个新的页框，因此如果现在没有空闲页框，这个操作就可能失败。在这种情况下，该函数就返回一个错误码。所有这些操作都是通过执行以下主要步骤实现的： (1). 验证当前进程是否具有CAP_SYS_ADMIN权能。 (2). 拷贝内核空间中specialfile所指向的字符串。 (3). 调用filp_open()，打开specialfile参数确定的文件。与往常一样，该函数返回文件对象的地址。 (4). 扫描交换区描述符链表swap_list，比较由filp_open()返回的文件对象地址与活动交换区描述符的swap_file字段中的地址，如果不一致，说明传给函数的是一个无效参数，则返回一个错误码。 (5). 调用cap_vm_enough_memory()，检查是否有足够的空闲页框把交换区上存放的所有页换入。如果不够，交换区就不能禁用，然后释放文件对象，返回错误码。这只是个粗略的检查，但可使内核免于许多无用的磁盘操作。当执行这项检查时，cap_vm_enough_memory()要考虑由slab高速缓存分配且SLAB_RECLAIM_ACCOUNT标志置位的页框，这样的页(被认为是可回收的这些页)的数量存放在slab_reclaim pages变量中。 (6). 从swap_list链表中删除该交换区描述符。 (7). 从nr_swap_pages和total_swap_pages的值中减去存放在交换区描述符的pages字段中的值。 (8). 把交换区描述符flags字段中的SWP_WRITEOK标志清0。这可禁止PFRA向交换区换出更多的页。 (9). 调用try_to_unuse()函数强制把这个交换区中剩余的所有页都移到RAM中，并相应地修改使用这些页的进程的页表。当执行该函数时，当前进程(即运行swapoff的进程)的PF_SWAPOFF标志置位。该标志置位只有一个结果：如页框严重不足，select_bad_process()函数就会被强制选择并删除该进程。 (10). 一直等到交换区所在的块设备驱动器被卸载。这样在交换区被禁用之前，try_to_unuse()发出的读请求会被驱动器处理。 (11). 如果在分配所有请求的页框时try_to_unuse()函数失败，那么就不能禁用这个交换区。因此，sys_swapoff()执行下列子步骤： a. 把这个交换区描述符重新插入swap_list链表，并把它的flags字段置为SWP_WRITEOK。 b. 把交换区描述符中pages字段的值加到nr_swap_pages和total_swap_pages变量以恢复其原值。 c. 调用filp_close()关闭在第3步中打开的文件，并返回错误码。 (12). 否则，所有已用的页槽都已经被成功传送到RAM中。因此，执行下列子步骤 a. 释放存有swap_map数组和子区描述符的内存区域。 b. 如果交换区存放在磁盘分区，则把块大小恢复到原值，该原值存放在交换区描述符的old_block_size字段。而且，调用bd_release()函数，使交换子系统不再占有该块设备。 c. 如果交换区存放在普通文件中，则把文件索引节点的S_SWAPFILE标志清0。 d. 调用filp_close()两次，第一次针对swap_file文件对象，第二次针对第3步中filp_open()返回的对象。 e. 返回0(成功)。

try_to_unuse()函数

try_to_unuse()函数使用一个索引参数，该参数标识待清空的交换区。该函数换入页并更新已换出页的进程的所有页表。因此，该函数从init_mm内存描述符(用作标记)开始，访问所有内核线程和进程的地址空间。这是一个相当耗时的函数，通常以开中断运行。因此，与其他进程的同步也是关键的。

try_to_unuse()函数扫描交换区的swap_map数组。当它找到一个“在用”页槽时，首先换入其中的页，然后开始查找引用该页的进程。这两个操作的顺序对避免竞争条件是至关重要的。当I/O数据传送正在进行时，页被加锁，因此没有进程可以访问它。一旦I/O数据传送完成，页又被try_to_unuse()加锁，以使它不会被另一个内核控制路径再次换出。

因为每个进程在开始进行换入或换出操作之前查找页高速缓存，所以这也可以避免竞争条件。最后，由try_to_unuse()所考虑的交换区被标记为不可写(SWP_WRITEOK标志被清0)，因此，没有进程可以对这个交换区的页槽执行换出。但是，可能强迫try_to_unuse()对交换区引用计数器的swap_map数组扫描几次。这是因为对换出页引用的线性区可能在一次扫描中消失，而在随后又出现在进程链表中。

例如，回想do_munmap()函数的描述；只要进程释放一个线性地址区间，do_munmap()就从进程链表中删除所有受影响线性地址所在的线性区；随后，该函数把只是部分解除映射的那部分线性区重新插入进程链表中。

do_munmap()还要负责释放属于已释放线性地址区间的换出页；但是，如果换出的页属于重新插入进程链表的线性区，则最好不要释放它们。因此，try_to_unuse()对引用给定页槽的进程进行查找时可能失败，因为相应的线性区暂时没有包含在进程的线性区链表中。为了处理这种情况，try_to_unuse()一直对swap_map 数组进行扫描，直到所有的引用计数器都变为空。引用了换出页的“神出鬼没”的线性区最终会重新出现在进程链表中，因此，try_to_unuse()终将会成功释放所有页槽。

让我们现在来描述try_to_unuse()所执行的主要操作。传递给它的参数为交换区swap_map数组的引用计数器，该函数在这个引用计数器上执行连续循环。如果当前进程接收到一个信号，则循环会中断，函数返回错误码。对于数组中的每个引用计数器，try_to_unuse()执行下列步骤：

如果计数器等于0(没有页存放在这里)或者等于SWAP_MAP_BAD，则对下一个页槽继续处理。

否则，调用read_swap_cache_async()函数换入该页。这包括分配一个新页框(如果必要)，用存放在页槽中的数据填充新页框并把这个页存放在交换高速缓存。

等待，直到用磁盘中的数据适当地更新了这个新页，然后锁住它。

当正在执行前一步时，进程有可能被挂起。因此，还要检查这个页槽的引用计数器是否变为空，如果是，说明这个交换页可能被另一个内核控制路径释放，然后继续处理下一个页槽。

对于以init_mm为头部的双向链表中的每个内存描述符，调用unuse_process()。这个耗时的函数扫描拥有内存描述符的进程的所有页表项，并用这个新页框的物理地址替换页表中每个出现的换出页标识符。为了反映这种移动，还要把swap_map数组中的页槽计数器减1(除非计数器等于SWAP_MAP_MAX)，并增加这个页框的引用计数器。

调用shmem_unuse()检查换出的页是否用于IPC共享内存资源，并适当地处理那种情况。

检查页的引用计数器。如果它的值等于SWAP_MAP_MAX，则页槽是“永久的”。为了释放它，则把引用计数器强制置为1。

交换高速缓存可能也拥有该页(它对引用计数器的值起作用)。如果页属于交换高速缓存，就调用swap_writepage()函数把页的内容刷新到磁盘(如果页为脏)，调用delete_from_swap_cache()从交换高速缓存删去页，并把页的引用计数减1。

设置页描述符的PG_dirty标志，并打开页框的锁，递减它的引用计数器(取消第5步的增量)。

检查当前进程的need_resched字段；如果它被设置，则调用schedule()放弃CPU。禁用交换区是一件冗长的工作，内核必须保证系统中的其他进程仍然继续执行。只要这个进程再次被调度程序选中，try_to_unuse()函数就从这一步继续执行。

继续到下一个页槽，从第1步开始。

try_to_unuse()继续执行，直到swap_map数组中的每个引用计数器都为空。回想一下，即使这个函数已经开始检查下一个页槽，但是前一个页槽的的引用计数器有可能仍然为正。事实上，一个“神出鬼没”的进程可能还在引用这个页，典型的原因是某些线性区已经被临时从第5步所扫描的进程链表中删除。try_to_unuse()最终会捕获到每个引用。但是，在此期间，页不再位于交换高速缓存，它的锁被打开，并且页的一个拷贝仍然包含在要禁用的交换区的页槽中。

一般会认为这种情形可能导致数据丢失。例如，假定某个“神出鬼没”的进程访问页槽，并开始换入其中的页。因为页不再位于交换高速缓存，因此，进程用从磁盘读取的数据填充一个新的页框。但是，这个页框可能不同于与“神出鬼没”进程共享页的那些进程曾经拥有的页框。当禁用交换区时这个问题不会发生，因为只有在换出的页属于私有匿名内存映射时，对“神出鬼没“进程的干涉才会发生。把不同的页框分配给引用了同一页的进程是完全合法的。但是，try_to_unuse()函数将页标记为“脏”。否则，shrink_list()函数可能随后从某个进程的页表中删除这一页，而并不把它保存在另一个交换区中。

分配和释放页槽

搜索空闲页槽的第一种方法可以选择下列两种既简单而又有些极端的策略之一：

总是从交换区的开头开始。这种方法在换出操作过程中可能会增加平均寻道时间，因为空闲页槽可能已经被弄得凌乱不堪。
(2). 总是从最后一个已分配的页槽开始。如果交换区的大部分空间都是空闲的(这是最通常的情况),

Linux采用了一种混合的方法。除非发生以下这些条件之一，否则Linux总是从最后一个已分配的页槽开始查找。已经到达交换区的末尾。 (1). 上次从交换区的开头重新分配之后，已经分配了SWAPFILE_CLUSTER(通常是256)个空闲页槽。 (2). swap_info_struct描述符的cluster_nr字段存放已分配的空闲页槽数。当函数从交换区的开头重新分配时该字段被重置为0。

cluster_next字段存放在下一次分配时要检查的第一个页槽的索引。为了加速对空闲页槽的搜索，内核要保证每个交换区描述符的lowest_bit和highest_bit字段是最新的。这两个字段定义了第一个和最后一个可能为空的页槽，换言之，所有低于lowest_bit和高于highest_bit的页槽都被认为已经分配过。

scan_swap_map()函数

scan_swap_map()函数用来在给定的交换区中查找一个空闲页槽。该函数只作用于一个参数，该参数指向交换区描述符返回一个空闲页槽的索引。如果交换区不含有任何空闲页槽，就返回0。该函数执行以下步骤：

首先试图使用当前的簇。如果交换区描述符的cluster_nr字段是正数，就从cluster_next索引处的元素开始对计数器的swap_map数组进行扫描，查找一个空项。如果找到一个空项，就减少cluster_nr字段的值并转到第4步。
如果执行到这儿，那么，或者cluster_nr字段为空，或者从cluster_next开始搜索后没有在swap_map数组中找到空项。现在就应该开始第二阶段的混合查找。把cluster_nr重新初始化成SWAPFILE_CLUSTER，并从lowest_bit索引处开始重新扫描这个数组，以便试图找到有SWAPFILE_CLUSTER个空闲页槽的一个组。如果找到这样的一个组，就转到第4步。
不存在SWAPFILE_CLUSTER个空闲页槽的组。从lowest_bit索引处开始重新开始扫描这个数组，以便试图找到一个单独的空闲页槽。如果没有找到空项，就把lowest_bit字段置为数组的最大索引，highest_bit字段置为0，并返回0(交换区已满)。
已经找到空项。把1放在空项中，减少nr_swap_pages的值，如果需要就修改lowest_bit和highest_bit字段，把inuse_page字段的值加1，并把cluster_next字段设置成刚才分配的页槽的索引加1。
返回刚才分配的页槽的索引。

get_swap_page()函数

get_swap_page()函数通过搜索所有活动的交换区来查找一个空闲页槽。它返回一个新近分配页槽的换出页标识符，如果所有的交换区都填满，就返回0，该函数要考虑活动交换区的不同优先级。该函数需要经过两遍扫描，以便在容易发现页槽时节约运行时间。第一遍是部分的，只适用于只有相同优先级的交换区。该函数以轮询的方式在这种交换区中查找一个空闲页槽。如果没有找到空闲页槽，就从交换区链表的起始位置开始进行第二遍扫描。在第二遍扫描中，要对所有的交换区都进行检查。

swap_free()函数

当换入页时，调用swap_free()函数以对相应的swap_map计数器进行减1操作。当相应的计数器达到0时，由于页槽的标识符不再包含在任何页表项中，因此页槽就变成空闲。但是，我们将在后面“交换高速缓存”一节看到，交换高速缓存也记入页槽拥有者的个数。该函数只作用于一个参数entry，entry表示换出页标识符。

函数执行以下步骤：

从entry参数导出交换区索引和页槽索引offset，并获得交换区描述符的地址。
检查交换区是否是活动的。如果不是，就立即返回。
如果正在释放的页槽对应的swap_map计数器小于SWAP_MAP_MAX，就减少这个计数器的值。回想一下，值为SWAP_MAP_MAX的项都被认为是永久的(不可删除的)。
如果swap_map计数器变成0，就增加nr_swap_pages的值，减少inuse_pages字段的值，如果需要就修改这个交换区描述符的lowest_bit和highest_bit字段。

交换高速缓存

向交换区来回传送页会引发很多竟争条件，具体地说，交换子系统必须仔细处理下面的情形：

多重换入，两个进程可能同时要换入同一个共享匿名页。
同时换入换出，一个进程可能换入正由PFRA换出的页。

交换高速缓存(swap cache)的引入就是为了解决这类同步问题。关键的原则是，没有检查交换高速缓存是否已包括了所涉及的页，就不能进行换入或换出操作。有了交换高速缓存，涉及同一页的并发交换操作总是作用于同一个页框的。因此，内核可以安全地依赖页描述符的PG_locked标志，以避免任何竞争条件。考虑一下共享同一换出页的两个进程这种情形。当第一个进程试图访问页时，内核开始换入页操作，第一步就是检查页框是否在交换高速缓存中，我们假定页框不在交换高速缓存中，那么内核就分配一个新页框并把它插入交换高速缓存，然后开始I/O操作，从交换区读入页的数据；同时，第二个进程访问该共享匿名页，与上面相同，内核开始换入操作，检查涉及的页框是否在交换高速缓存中。现在页框是在交换高速缓存，因此内核只是访问页框描述符，在PG_locked标志清0之前(即I/O数据传输完毕之前)，让当前进程睡眠。

当换入换出操作同时出现时，交换高速缓存起着至关重要的作用。shrink_list()函数要开始换出一个匿名页，就必须当try_to_unmap()从进程(所有拥有该页的进程)的用户态页表中成功删除了该页后才可以。但是当换出的写操作还在执行的时候，这些进程中可能有某个进程要访问该页，而产生换入操作。在写入磁盘前，待换出页由shrink_list()存放在交换高速缓存。

考虑页P由两个进程(A和B)共享。最初，两个进程的页表项都引用该页框，该页有两个拥有者，如图17-8(a)所示。当PFRA选择回收页时，shrink_list()把页框插入交换高速缓存。如图17-8(b)所示，现在页框有三个拥有者，而交换区中的页槽只被交换高速缓存引用。然后PFRA调用try_to_unmap()从这两个进程的页表项中删除对该页框的引用。一旦这个函数结束，该页框就只有交换高速缓存引用它，而引用页槽的有这两个进程和交换高速缓存，如图17-8(c)所示。假定：当页中的数据写入磁盘时，进程B访问该页，即它要用该页内部的线性地址访问内存单元。那么，缺页异常处理程序发现页框在交换高速缓存，并把物理地址放回进程B的页表项，如图17-8(d)所示。

相反地，如果换出操作结束，而没有并发换入操作，shrink_list()函数则从交换高速缓存删除该页框并把它释放到伙伴系统，如图17-8(e)所示。你可以认为交换高速缓存是一个临时区域，该区域存有正在被换入或换出的匿名页描述符。当换入或换出结束时(对于共享匿名页，换入换出操作必须对共享该页的所有进程进行)，匿名页描述符就可以从交换高速缓存删除。

交换高速缓存的实现

交换高速缓存由页高速缓存数据结构和过程实现。回想一下，页高速缓存的核心就是一组基树，借助基树，算法就可以从address_space对象地址(即该页的拥有者)和偏移量值推算出页描述符的地址。在交换高速缓存中页的存放方式是隔页存放，并有下列特征：页描述符的mapping字段为NULL。页描述符的PG_swapcache标志置位。private字段存放与该页有关的换出页标识符。此外，当页被放入交换高速缓存时，则页描述符的count字段和页槽引用计数器的值都增加，因为交换高速缓存既要使用页框，也要使用页槽。最后，交换高速缓存中的所有页只使用一个swapper_space地址空间，因此只有一个基树(由swapper_space.page_tree指向)对交换高速缓存中的页进行寻址。swapper_space地址空间的nrpages字段存放交换高速缓存中的页数。

交换高速缓存的辅助函数

内核使用几个函数来处理交换高速缓存，稍后我们将说明这些相对低层的函数是如何被高层函数调用来按需换入和换出页的。处理交换高速缓存的函数主要有：

lookup_swap_cache()，通过传递来的参数(换出页标识符)在交换高速缓存中查找页并返回页描述符的地址。如果该页不在交换高速缓存中，就返回0。该函数调用radix_tree_lookup()函数，把指向swapper_space.page_tree的指针(用于交换高速缓存中页的基树)和换出页标识符作为参数传递，以查找所需要的页。
add_to_swap_cache()，把页插入交换高速缓存中。它本质上调用swap_duplicate()检查作为参数传递来的页槽是否有效，并增加页槽引用计数器；然后调用radix_tree_insert()把页插入高速缓存；最后递增页引用计数器并将PG_swapcache和PG_locked标志置位。
__add_to_swap_cache()，与add_to_swap_cache()类似，但是，在把页框插入交换高速缓存前，这个函数不调用swap_duplicate()。
delete_from_swap_cache()，调用radix_tree_delete()从交换高速缓存中删除页，递减swap_map中相应的使用计数器，递减页引用计数器。
free_page_and_swap_cache()，如果除了当前进程外，没有其它用户态进程正在引用相应的页槽，则从交换高速缓存中删除该页，并递减页使用计数器。
free_pages_and_swap_cache()，与free_page_and_swap_cache()相似，但它是对一组页操作。
free_swap_and_cache()，释放一个交换表项，并检查该表项引用的页是否在交换高速缓存。如果没有用户态进程(除了当前进程之外)引用该页，或者超过50%的交换表项在用，则从交换高速缓存中释放该页。

换出页

我们从本章前面“内存紧缺回收”一节可看到，PFRA是如何确定一个给定的匿名页是否该被换出。在这一节，我们描述内核如何执行换出操作。

向交换高速缓存插入页框

换出操作的第一步就是准备交换高速缓存。如果shrink_list()函数确认某页为匿名页(PageAnon()函数返回1)而且交换高速缓存中没有相应的页框(页描述符的PG_swapcache 标志清0)，内核就调用add_to_swap()函数。add_to_swap()函数在交换区中分配一个新页槽，并把一个页框(其页描述符地址作为参数传递)插入交换高速缓存。

函数执行如下主要步骤：

调用get_swap_page()函数分配一个新页槽。如果失败(例如没有发现空闲页槽)，则返回0。
调用__add_to_page_cache()，传给它页槽索引、页描述符地址和一些分配标志。
将页描述符中的PG_uptodate和PG_dirty标志置位，从而强制shrink_list()函数把页写入磁盘。
返回1(成功)。

更新页表项

一旦add_to_swap()结束，shrink_list()就调用try_to_unmap()，它确定引用匿名页的每个用户态页表项地址，然后将换出页标识符写入其中。

将页写入交换区

为完成换出操作需执行的下一个步骤是将页的数据写入交换区。这一I/O传输是由shrink_list()函数激活的，它检查页框的PG_dirty标志是否置位，然后执行pageout()函数。pageout()函数建立一个writeback_control描述符，且调用页address_space对象的writepage方法。而swapper_state 对象的writepage方法是由swap_writepage()函数实现的。

swap_writepage()函数所执行的主要步骤如下： (1). 检查是否至少有一个用户态进程引用该页。如果没有，则从交换高速缓存删除该页，并返回0。这一检查之所以必须做，是因为一个进程可能会与PFRA发生竞争并在shrink_list()检查完后释放一页。 (2). 调用get_swap_bio()分配并初始化一个bio描述符。函数从换出页标识符算出交换区描述符地址。然后它搜索交换子区链表，以找到页槽的初始磁盘扇区。bio描述符将包含一个单页数据请求(页槽)，其完成方法设为end_swap_bio_write()函数。 (3). 置位页描述符的PG_writeback标志和交换高速缓存基树的writeback标记。此外函数还清零PG_locked标志。 (4). 调用submit_bio()，传给它WRITE命令和bio描述符地址。 (5). 返回0。

一旦I/O数据传输结束，就执行end_swap_bio_write()函数。实际上，这个函数唤醒正等待页PG_writeback标志清零的所有进程，清除PG_writeback标志和基树中的相关标记，并释放用于I/O传输的bio描述符。

从交换高速缓存中删除页框

换出操作的最后一步还是由shrink_list()执行。如果它验证在I/O数据传输时没有进程试图访问该页框，它实际就调用delete_from_swap_cache()从交换高速缓存中删除该页框。因为交换高速缓存是该页的唯一拥有者，该页框被释放到伙伴系统。

换入页

当进程试图对一个已被换出到磁盘的页进行寻址时，必然会发生页的换入。

在以下条件发生时，缺页异常处理程序就会触发一个换入操作: (1). 引起异常的地址所在的页是一个有效的页，也就是说，它属于当前进程的一个线性区。 (2). 页不在内存中，也就是说，页表项中的Present标志被清除。 (3). 与页有关的页表项不为空，但是Dirty位清0，这意味着页表项包含一个换出页标识符。如果上面的所有条件满足，则handle_pte_fault()调用相对简易的do_swap_page()函数换入所需页。

do_swap_page()函数

do_swap_page()函数作用于如下参数：

mm，引起缺页异常的进程的内存描述符地址
vma，address所在的线性区描述符地址
address，引起异常的线性地址
page_table，映射address的页表项的地址
Pmd，映射address的页中间目录的地址
orig_pte，映射address的页表项的内容
write_access，一个标志，表示试图执行的访问是读操作还是写操作

与其他函数相反，do_swap_page()从不返回0。如果页已经在交换高速缓存中就返回1 (次错误)，如果页已经从交换区读入就返回2(主错误)，如果在进行换入时发生错误就返回-1。

该函数本质上执行下列步骤：

从orig_pte获得换出页标识符。

调用pte_unmap()释放任何页表的临时内核映射，该页表由handle_mm_fault()函数建立。访问高端内存页表需要进行内核映射。

释放内存描述符的page_table_lock自旋锁(它是由调用者函数handle_pte_fault()获取的)。

调用lookup_swap_cache()检查交换高速缓存是否已经含有换出页标识符对应的页；如果页已经在交换高速缓存中，就跳到第6步。

调用swapin_readahead()函数从交换区读取至多有2n个页的一组页，其中包括所请求的页。值n存放在page_cluster变量中，通常等于3。其中的每个页是通过调用read_swap_cache_async()函数读入的。

再一次调用read_swap_cache_async()换入由引起缺页异常的进程所访问的那一页。这一步可能看起来有点多余，但其实不然。swapin_readahead()函数可能在读取请求的页时失败——例如，因为page_cluster被置为0，或者该函数试图读取一组含有空闲或有缺陷页槽(SWAP_MAP_BAD)的页。另一方面，如果swapin_readahead()成功，这次对read_swap_cache_async()的调用就很快结束，因为它在交换高速缓存找到了页。

尽管如此，如果请求的页还是没有被加到交换高速缓存，那么，另一个内核控制路径可能已经代表这个进程的一个子进程换入了所请求的页。这种情况的检查可以通过临时获取page_table_lock自旋锁，并把page_table所指向的表项与orig_pte进行比较来实现。如果二者有差异，则说明这一页已经被某个其他的内核控制路径换入，因此，函数返回1(次错误);否则，返回-1(失败)。

函数执行到此，我们知道页已经在高速缓存中。如果页已被换入(主错误),函数就调用grab_swap_token()试图获得一个交换标记。

调用mark_page_accessed()并对页加锁。

获取page_table_lock自旋锁。

检查另一个内核控制路径是否代表这个进程的一个子进程换入了所请求的页。如果是，就释放page_table_lock自旋锁，打开页上的锁，并返回1(次错误)。

调用swap_free()减少entry对应的页槽的引用计数器。

检查交换高速缓存是否至少占满50%(nr_swap_pages小于total_swap_pages的一半)。如果是，则检查页是否仅被引起异常的进程(或其一个子进程)拥有；如果是这样，则从交换高速缓存中删去这一页。

增加进程的内存描述符的rss字段。

更新页表项以便进程能找到这一页。这一操作的实现是通过把所请求页的物理地址和在线性区的vm_page_prot字段所找到的保护位写入page_table所指向的页表项中来达到的。此外，如果引起缺页的访问是一个写访问，且造成缺页的进程是页的唯一拥有者，那么，函数还要设置Dirty和Read/Write标志以防止无用的写时复制错误。

打开页上的锁。

调用page_add_anon_rmap()把匿名页插入面向对象的反向映射数据结构。

如果write_access参数等于1，则函数调用do_wp_page()复制一份页框。

释放mm->page_table_lock自旋锁，并返回1(次错误)或2(主错误)。

read_swap_cache_async()函数

只要内核必须换入一个页，就调用read_swap_cache_async()函数，它接收的参数为：

entry，换出页标识符
vma，指向该页所在线性区的指针
addr，页的线性地址

我们知道，在访问交换分区之前，该函数必须检查交换高速缓存是否已经包含了所要的页框。因此，该函数本质上执行下列操作：

调用radix_tree_lookup()，搜索swapper_space对象的基树，寻找由换出页标识符entry给出位置的页框。如果找到该页，递增它的引用计数器，返回它的描述符地址。
页不在交换高速缓存。调用alloc_page()分配一个新的页框。如果没有空闲的页框可用，则返回0(表示系统没有足够的内存)。
调用add_to_swap_cache()把新页框的页描述符插入交换高速缓存。这个函数也对页加锁。
如果add_to_swap_cache()在交换高速缓存找到页的一个副本，则前一步可能失败。例如，进程可能在第2步阻塞，因此允许另一个进程在同一个页槽上开始换入操作。在这种情况下，该函数释放在第2步分配的页框，并从第1步重新开始。
调用lru_cache_add_active()把页插入LRU的活动链表。
新页框的页描述符现已在交换高速缓存。调用swap_readpage()从交换区读入该页数据。这个函数与前面“换出页”一节所描述的swap_writepage()函数很相似，它将页描述符的PG_uptodate标志清0，调用get_swap_bio()为I/O传输分配与初始化一个bio描述符，再调用’submit_bio()向块设备子系统层发出I/O请求。
返回页描述符的地址。