第六十五章：页面回收

元婴中期

涉及内核源码：

一

林小源在内景中感觉到了一股压力。

不是物理上的压力——是一种更深层的紧张感，像整个空间在收缩。那些悬浮的 VMA 大陆在微微颤抖，页表地面发出低沉的嗡鸣声。

"内存紧张了。"mm_struct 的声音变得紧迫，"内核需要回收页面。"

林小源环顾四周。远处出现了一个巨大的身影——比 mm_struct 更大，更沉重，像一座移动的山。它的身上覆盖着无数闪烁的光点，每一个光点都是一块物理页面。

"我是 。"那个身影的声音低沉如雷，"内存回收的执行者。当空闲页面不足时，我就醒来。"

林小源看到 shrink_node 身上有两条巨大的链表在流动——一条散发着温暖的金色光芒，另一条是冰冷的银色。

"active_list 和 inactive_list。"shrink_node 说，"所有物理页面都在这两条链表上。最近被访问的页面在 active_list，很久没被访问的页面在 inactive_list。"

"怎么区分'最近'和'很久'？"

"PTE 的 A 位。"shrink_node 说，"硬件在页面被访问时自动设置 A 位。我定期扫描——A 位为 1 的页面，说明最近被访问过，留在 active_list。A 位为 0 的页面，说明很久没被访问，移到 inactive_list。"

林小源看到 shrink_node 伸出巨大的手掌，从 active_list 中抓起一块页面，仔细检查它的 A 位。A 位是 0——它把那块页面扔到了 inactive_list 中。

"这就是页面老化。"shrink_node 说，"时间是最好的裁判。被遗忘的页面，终将被淘汰。"

二

林小源看着 shrink_node 在两条链表之间忙碌着。

每过一段时间，它就会从 active_list 中检查一批页面——A 位为 0 的扔到 inactive_list，然后清除所有页面的 A 位。这样，下一次扫描时，只有真正被访问过的页面才会保留 A 位为 1。

"如果一个页面在 A 位被清除后又被访问了呢？"林小源问。

"硬件会重新设置 A 位。"shrink_node 说，"下次我扫描时，它就留在 active_list。这就是 LRU 的精髓——用硬件的访问记录来判断页面的热度。"

林小源看到 shrink_node 开始从 inactive_list 中挑选页面回收。但不是所有页面都一样——它有严格的优先级。

"先回收 clean 文件页。"shrink_node 说，抓起一块淡蓝色的页面。那块页面的 D 位是 0，和磁盘上的内容一致。shrink_node 轻轻一捏，页面碎裂成光点消散了。

"clean 文件页可以直接丢弃。"它说，"不需要 IO，回收成本最低。"

然后它抓起一块暗红色的页面——dirty 文件页，D 位是 1。这次它没有直接捏碎，而是先把页面的内容写入远处的磁盘，等 IO 完成后才释放。

"dirty 文件页需要先写入磁盘。"shrink_node 说，"回收成本更高，但还能承受。"

最后，它看向一块匿名页——没有文件连接，表面是空白的。它犹豫了一下。

"匿名页没有文件后援。"shrink_node 的声音变得沉重，"回收匿名页需要写入 swap——这是最昂贵的操作。磁盘 IO 比内存访问慢几个数量级。"

林小源看到那块匿名页被 shrink_node 送往远处的 swap 黑洞。整个过程缓慢而沉重。

"所以优先级是：clean 文件页、dirty 文件页、匿名页。"林小源说。

"对。"shrink_node 说，"回收也有成本。能免费回收的，绝不多花一分钱。"

三

林小源在内景中走了更远，渐渐看到了页面回收的全貌。

那些被回收的页面并不是真的消失了——它们只是从物理内存中释放了。文件页的内容还在磁盘上，匿名页的内容在 swap 中。当进程再次访问这些页面时，会触发页 fault，内核重新分配物理页面，把数据读回来。

"回收不是毁灭。"mm_struct 说，"回收是转移。把数据从内存转移到磁盘，腾出空间给更需要的页面。"

林小源看到远处有一些页面在 active_list 和 inactive_list 之间反复跳动——它们时而被访问，时而被遗忘，像潮汐一样涨落。

"这些是热点数据。"mm_struct 说，"频繁被访问，永远不会被回收。它们是系统性能的关键——如果热点数据被回收了，系统会频繁触发 page fault，性能急剧下降。"

"所以 LRU 的目标是保护热点数据？"

"对。"mm_struct 说，"LRU 不是最优算法——最优算法需要预知未来。但 LRU 是最实用的算法——它用历史访问模式来预测未来。大多数情况下，最近被访问的页面，未来也更可能被访问。"

林小源看着那两条流动的链表。active_list 像一条温暖的河流，承载着系统的热点数据。inactive_list 像一条冰冷的溪流，承载着即将被淘汰的页面。shrink_node 站在两条河的交汇处，不断地筛选、回收、释放。

"页面回收是内存管理的最后防线。"他喃喃自语。

"不。"mm_struct 纠正他，"页面回收是内存管理的呼吸。有呼有吸，内存才能流动。只分配不回收，系统会窒息。"

他忽然明白过来——页面回收不只是淘汰——它是内存的呼吸。

---

/*
 * 页面回收使用 LRU（Least Recently Used）算法。
 *
 * 内核维护两个链表：
 *   active_list   — 活跃页面（最近被访问）
 *   inactive_list — 不活跃页面（很久没被访问）
 *
 * 页面在两个链表之间移动：
 *   访问页面 → 移到 active_list
 *   长时间未访问 → 移到 inactive_list
 *   回收时从 inactive_list 中选择页面
 *
 * PTE 的 A (Accessed) 位：
 *   硬件在页面被访问时设置
 *   内核定期检查并清除
 *   如果清除后再次被访问，页面仍在 active_list
 *
 * 回收策略：
 *   1. 优先回收 clean 文件页（直接丢弃）
 *   2. 其次回收 dirty 文件页（先写入磁盘）
 *   3. 最后回收匿名页（写入 swap）
 */

struct page {
    int index;
    int accessed;       /* A 位 */
    int dirty;          /* D 位 */
    int type;           /* 0=anonymous, 1=file */
    char data[32];
};

struct lru_list {
    struct page *pages[8];
    int count;
    const char *name;
};

void lru_add(struct lru_list *lru, struct page *page) {
    lru->pages[lru->count++] = page;
}

struct page *lru_reclaim(struct lru_list *lru) {
    if (lru->count == 0) return NULL;
    return lru->pages[--lru->count];
}

printf("=== 页面回收 — LRU 算法 ===\n\n");

struct lru_list active   = { .count = 0, .name = "active_list" };
struct lru_list inactive = { .count = 0, .name = "inactive_list" };

/* 模拟一些页面 */
struct page pages[] = {
    { 0, 1, 0, 1, "热数据（经常访问）" },
    { 1, 0, 0, 1, "冷数据（很久没访问）" },
    { 2, 1, 1, 0, "匿名页（已修改）" },
    { 3, 0, 0, 1, "文件页（clean）" },
    { 4, 0, 1, 0, "匿名页（dirty）" },
};

/* 初始分配到 active_list */
for (int i = 0; i < 5; i++)
    lru_add(&active, &pages[i]);

printf("active_list 中的页面：\n");
for (int i = 0; i < active.count; i++)
    printf("  页 %d: %s\n", active.pages[i]->index, active.pages[i]->data);

/* 模拟页面老化 */
printf("\n--- 页面老化 ---\n");
printf("冷数据长时间未访问 → 移到 inactive_list\n\n");

/* 移动冷数据到 inactive_list */
inactive.pages[inactive.count++] = active.pages[1];
active.pages[1] = active.pages[active.count - 1];
active.count--;

printf("active_list:\n");
for (int i = 0; i < active.count; i++)
    printf("  页 %d: %s\n", active.pages[i]->index, active.pages[i]->data);

printf("inactive_list:\n");
for (int i = 0; i < inactive.count; i++)
    printf("  页 %d: %s\n", inactive.pages[i]->index, inactive.pages[i]->data);

printf("\n--- 回收策略 ---\n");
printf("1. 优先回收 clean 文件页（直接丢弃）\n");
printf("   页 3: clean 文件页 → 直接丢弃\n\n");
printf("2. 其次回收 dirty 文件页（先写入磁盘）\n");
printf("   需要等待 I/O 完成\n\n");
printf("3. 最后回收匿名页（写入 swap）\n");
printf("   需要 swap 空间\n");

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道藏笔记

内核启示

页面回收是内存管理的核心机制之一。

LRU 算法：

• — 活跃页面
• inactive_list — 不活跃页面
• 页面在两个链表之间移动
• 回收时从 inactive_list 中选择

PTE 的 A（Accessed）位：

• 硬件在页面被访问时设置
• 内核定期检查并清除
• 用于判断页面是否活跃

回收策略的优先级：

1. clean 文件页 — 直接丢弃
2. dirty 文件页 — 先写入磁盘
3. 匿名页 — 写入 swap

页面回收是"淘汰赛"——最不活跃的页面被淘汰。

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破关试炼

页面回收之试

页面回收会优先盯住长期不用的页，本章中不活跃页面所在的链表叫什么？

答对后才能继续滑动和进入下一章。

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