《基于Linux的C编程与内核导读》连载（17）

4.1.4 linux的页面交换机制

linux使用LRU算法作为其页面交换的核心算法，出于安全性、稳定性、执行效率等多方面的考虑，linux所使用的LRU交换算法已经交织在其进程管理、文件系统管理等其他机制当中，他们有机的结合为一个整体。

在操作系统原理中介绍缺页处理是这样的：当进程在执行的过程中，发现某个页面不在内存中，产生缺页中断，并在系统中淘汰一个页面，然后把磁盘上的此页面调入内存。这种完全消极的页面交换策略有个缺点：换入换出页面总是在处理器忙碌的时候发生，这将使系统效率降低。Linux的交换策略是定期的，特别是在系统相对空闲的时候，挑选一些页面预先交换出来而腾出一些内存空间，从而使系统始终维持在一定的空闲页面供应量。至于挑选的原则，一般都是LRU，即“最久未用到”的页面。

1、页面汰策略的改进

以上的交换策略依然有可能发生系统“抖动”。为了防止“抖动”的发生，linux将页面的换出和内存页面的释放分成两步来做。当系统挑选若干内存页面准备换出时，将这些页面的内容写到相应当磁盘中，并且将相应的页面表项内容设置为指向磁盘页面。

页面表项的数据结构pte_t是一个32位整型变量，其中第一位P用于表示该页面是否在内存中：P位为1表示在内存中；为0，则表示不在内存中。这里需要将换出页面的P位置0，但是所占据的内存页面并不立即释放，而是将其page结构留在一个cache队列当中，并使其从“活跃状态”转为“不活跃状态”，至于最后释放内存页面的操作就推迟到以后有条件时进行。

这样如果在一个页面被换出后立即又被访问而发生缺页中断时，就可以从物理页面的cache队列中找到相应的页面，并为之建立映射。反之，如果经过一段时间后，一个不活跃的内存页面还是没有被访问，那就到了最后释放的时候了。

2、修改过和没有修改过的页面

如前面所述，将“换出”和“释放”分成两步走显然可以减少系统在页面交换上的开销，然而作为产品，Linux的交换策略还可以进一步提升。

首先，在准备换出一个页面时并不一定要把它的内容写入磁盘。如果自从最近一次换入该页面以后就没有写过这个页面，那么这个页面的内容与磁盘上相应的内容是一样的，可以把这个内存页面看成“干净”的。这样的页面显然不需要写出去了。

其次，就是“脏”页面。和“干净”页面相对应，“脏”页面就是内存页面发生改变的页面。这样的页面不需要立刻就写出去，而可以先将其从页面映射表中断开。经过一段时间，对应页面不再使用后，再写出去。这样“脏”页面就成了“干净”页面了。“干净”页面可以在cache队列中待到真的有必要回收的时候再释放，回收一个“干净”页面的花费是很小的。

3、综述

综上所述，Linux的页面交换机制如图4-5所示。

（1）空闲页面。页面的page数据结构通过其队列头结构list链入某个页面管理区（ZONE）的空闲队列free_area中。页面的使用计数count为0。

    （2）分配。通过函数__alloc_pages( )或__get_free_page( )从某个空闲队列中分配内存页面，并将所分配页面的计数count置为1，其page数据结构的队列头list结构则变为空闲。

    （3）活跃状态。页面的page数据结构通过其队列头结构lru链入活跃页面队列active_list，并且至少有一个用户空间进程的表项指向该页面。每当页面建立或恢复映射时，都使用计数count加1。

（4）不活跃且修改过的页面。页面的page数据结构通过其队列头结构lru链入不活跃且修改页面队列inactive_dirty_list，但是原则上不再有任何进程的页面表项指向该页面。此外，每当断开页面的映射时，都使count减1。

（5）释放和回收。将不活跃且修改过的页面的内容写入交换设备，并将页面的page数据结构从不活跃且修改页面队列inactive_dirty_list转移到某个不活跃且干净的页面队列中。

（6）不活跃且干净页面。页面的page数据结构通过其队列头结构lru链入某个不活跃且干净的页面队列，每个页面管理区ZONE都有一个这种队列inactive_clean_list。

（7）换入。如果在转入不活跃状态之后的某个时间受到访问，则由不活跃状态转入活跃状态。

    （8）回收。有页面请求时，就从没有修改的页面队列中回收页面。