内存是操作系统非常重要的资源。操作系统要运行一个程序，首先要将程序代码段的指令和数据段的变量从硬盘加载到内存中，然后才能使用运行。如下图所示：但是内存资源是有限的，随着系统中运行的进程越来越多，系统中可用的内存会越来越少。那么，当可用内存不足时，Linux内核是如何处理的呢？本文将介绍当可用内存不足时，Linux内核是如何处理的。1、内存不足怎么处理大家想一想。当系统可用内存不足时，进程继续申请内存会怎样？当系统的可用内存不足时，内核会使用内存来保证进程有足够的可用内存。进行回收。内存回收工作主要包括以下步骤：为了加快某些操作（如文件I/O），内核会缓存操作的结果（如文件页缓存），以及缓存使用的内存可以回收。因此，当可用内存不足时，首先回收内核中的缓存。如果回收内核缓存，系统可用内存仍然不足。然后，内核会触发交换机制。交换机制会将一些进程占用的内存交换（写入）到硬盘，然后释放内存，使系统有更多的可用内存。本文将重点介绍交换机制。如果触发swap机制后系统的可用内存不能满足系统要求，就会触发OOM（OutOfMemory）机制。OOM机制会选择一些进程并杀死它们以获得更多可用内存。由于回收内存的方式有3种，本文主要以swap机制为分析对象，介绍当内存不足时内核是如何回收内存的。2.交换机制的原理在分析交换机制的实现之前，我们先介绍一下交换机制的原理。本文使用Linux-2.6.23版本内核。交换这个词的意思是交换。顾名思义，它将某些进程占用的内存交换（写入）到硬盘中，然后将内存释放给操作系统，使操作系统有更多的可用内存。如下图所示：swap机制的本质是将进程占用的内存写入硬盘，然后释放内存。那么，就涉及到哪些进程的内存应该交换到硬盘上了。每个进程都不希望自己占用的内存被交换到硬盘上，因为内存交换到硬盘后，进程要使用内存，必须先从硬盘加载内存到继续使用之前的内存。这个过程的性能会大大降低。出于这个原因，内核必须提供一个最佳解决方案来选择一些内存交换到磁盘，同时对进程性能的影响最小。由于进程的内存空间分为多个段，如代码段、数据段、mmap段、堆段和堆栈段等，那么，哪些内存段会被交换到硬盘上呢？答案是：所有的内存段都可能被交换到硬盘上。但是对于与文件有映射关系的内存区域，比如code段和mmap段，只需要将数据写回文件即可（因为code段的内容不会改变，所以有无需回信）。对于数据段、堆段、栈段中的内存页，由于没有映射文件（称为匿名内存页），内核必须提供一个文件（或硬盘分区）来存放这些内存页的数据.这个文件（或硬盘分区）称为交换分区。从上面的分析可以得出两个重要的信息：匿名内存页：没有映射到任何文件的内存页。交换分区：用于存储匿名内存页面数据的文件或硬盘分区。下面主要介绍当系统内存不足时，内核如何将进程的匿名内存页写入swap分区，并回收这些匿名内存页。1、LRU内存淘汰算法当系统内存不足，触发swap机制时，内核应该选择哪些匿名内存页写入swap分区？如果随机选择一些匿名内存页写入交换分区，可能会出现以下问题问题：进程的匿名内存页写入交换分区后，进程立即访问内存页，然后读取内存页从交换分区进入内存。这样只会增加系统的负载，并不能解决系统内存不足的问题。为了解决这个问题，Linux内核引入了LRU内存淘汰算法。用过Memcached或者Redis的同学应该知道LRU算法。当系统内存不足时，Memcached和Redis都采用LRU算法淘汰内存。LRU（LeastRecentlyUsed）中文翻译是最近最少使用的意思。其原理是：当内存不足时，系统中使用最少的内存将被淘汰，使系统性能损失最小。为了实现LRU算法，内核维护了两个双向链表：active_list和inactive_list。下面分别介绍这两个链表的作用：active_list：活动内存页链表。也就是说，进程会经常访问这个链表中的内存页，所以在进行内存淘汰的时候，不要淘汰这个链表中的内存页。inactive_list：非活动内存页的链表。也就是说，进程很少访问这个链表中的内存页，所以在进行内存淘汰时，主要是淘汰这个链表中的内存页。在Linux内核中，每个内存区（zone）都维护着一个active_list和一个inactive_list。内存区域是内存管理中的一个对象。为了更清楚的描述，我们暂时假设内核中只有一个内存区域，也就是说内核中暂时只维护一个active_list和一个inactive_list。如下图所示：另外，每个内存页都有一个PG_referenced标志，表示该内存页是否被访问过，这个标志在内存回收过程中起着至关重要的作用。当进程申请匿名内存页时，内核会将此内存页添加到活动内存页列表（active_list）中，并将PG_referenced标志置0。如下图所示：一个进程，根据内存页所在的LRU链表进行不同的操作：如果内存页原本在active链表中，那么这个内存页的PG_referenced会被设置为1。如果内存页原本在inactive链表中，且PG_referenced为0，则将内存页的PG_referenced标志位置1。如果内存页原本在inactive链表中，且PG_referenced为1，则内存页page将从inactivelist移动??到activelist，PG_referenced置0。下图为上述情况的流程：当系统内存不足时，需要进行内存淘汰处理。内存页淘汰过程与上述过程正好相反。下面介绍内存页淘汰过程。当内存被淘汰时，只能从inactive链表中淘汰。淘汰过程如下：内存从inactive链表的尾部开始淘汰。如果该内存页的PG_referenced标志位为1，则该内存页将被跳过，并将该内存页的PG_referenced标志位设置为0。如果该内存页的PG_referenced标志位为0，则将该内存页写入swap分区，解除与该内存页的所有映射关系，然后释放该内存页。上述过程由shrink_inactive_list函数完成，如下图所示：另外，active链表中的内存页也有一个收缩过程，收缩过程如下：如果内存的PG_referenced标志位page为1，那么shrinking进程会将内存页的PG_referenced标志设置为0。如果内存页的PG_referenced标志为0，decay进程会将内存页移动到inactivelist。以上过程由shrink_active_list函数完成，如下图所示：2.LRU算法状态流我们最后用一张状态流图来描述LRU算法的过程：3.总结本文主要介绍LRU中使用的LRULinux内核内存回收过程算法原理，在下一篇文章中，我们将介绍Linux内核是如何实现内存回收的，感兴趣的朋友敬请期待。
