Linux内存管理 (14)匿名页面生命周期

专题：Linux内存管理专题

关键词：匿名页面、换入、换出。

如果要将匿名页面的生命周期进行划分，大概就是诞生、使用、换出、换入和销毁。

内核中使用匿名页面的地方有很多，产生缺页中断之后匿名页面就诞生了；

用户进程访问虚拟地址即可访问到匿名页面内容；

在内存紧张的时候，需要回收一些页面来释放内存，匿名页面可能被换出；

如果虚拟地址空间被再次访问，则需要将swap分区中内容换入；

当进程关闭或者退出时，VMA上的映射需要被清除，相关匿名页面会被销毁。

1. 匿名页面的诞生

从内核的角度看，出现匿名页面的情况有：

1. 用户空间malloc/mmap接口函数来分配内存，在内核空间发生缺页中断时，调用do_anonymous_page()会产生匿名页面。

2. 发生写时复制，当缺页中断出现写保护错误时，新分配的页面是匿名页面。

2.1 do_wp_page()，只读的special映射的页面，例如映射到zeroed的页面；非单身匿名页面；只读的私有映射的page cache；KSM页面。

2.2 do_cow_page()，共享的匿名页面(shared anonymous mapping, shmm)

3. do_swap_page()，从swap分区 读回数据时会新分配匿名页面。

4. 迁移页面

2. 匿名页面的使用

匿名页面在缺页中断中分配完成之后，就建立了进程虚拟地址空间VMA和物理页面的映射关系，用户进程访问虚拟地址即访问到匿名页面的内容。

3. 匿名页面的换出

假设系统内存紧张，需要回收一些页面来释放内存。

anon_page刚分配时会加入活跃LRU链表(LRU_ACTIVE_ANON)头部，在经历了活跃LRU链表的一段时间的移动，

该anon_page到达活跃LRU链表的尾部，shrink_active_list()函数把该页加入不活跃LRU链表(LRU_INACTIVE_LRU)。

shrink_inactive_list()函数扫描不活跃链表，shrink_page_list()回首页面。

(1) 第一次扫描不活跃链表时，shrink_page_list()->add_to_swap()函数会为该页分配swap分区空间

此时匿名页面的_count、_mapcount、flags状态如下：

page->_count = 3(引用计数增加的地方：1-分配页面；2-分离页面；3-add_to_swap())

page->_mapcount = 0

page->flags = PG_lru | PG_swapbacked PG_swapcache | PG_dirty | PG_uptedate | PG_locked,

PG_swapcache表示该页已经分配了swap空间，PG_dirty表示该页为脏，稍后需要写回swap分区，PG_uptodate表示该也得数据是有效的。

(2) shrink_page_list()->try_to_unmap()后该匿名页面状态如下

page->_count = 2

page->_mapcount = -1---------表示没有PTE映射该页

try_to_unmap()会通过RMAP反响映射系统去寻找映射该页的所有VMA和相应的PTE，并将这些PTE解除映射。

因为该页只和父进程建立了映射关系，因此_count和_mapcount都要减1。

(3) shrink_page_list()->pageout()函数把该页写回交换分区，此时匿名页面状态如下

page->_count = 2

page->_mapcount = -1

page->flags = PG_lru | PG_swapbacked | PG_swapcache | PG_dirty | PG_uptedate | PG_reclaim | PG_writeback

(4) 第二次扫描不活跃链表

经历第一次不活跃LRU链表的移动过程，从链表头移动到链表尾。

如果这时该页还没有写入完成，即PG_writeback标志位还在，那么该页会继续被放回到不活跃LRU链表头，kswapd会继续扫描其它页，从而继续等待写完成。

假设第二次扫描不活跃链表时，该页写入swap分区已经完成。Block Layer层毁掉函数end_swap_bio_write()->end_page_writeback()完成如下动作：

• 清PG_writeback标志位
• 唤醒等待在该页PG_writeback的线程，见wake_up_page(page, PG_writeback)函数。

shrink_page_list()->__remove_mapping()执行后如下：

page->_count = 0

page->_mapcount = -1

page->flags = PG_swapbacked | PG_uptedate

最后把page加入free_page链表中，释放该页。因此该anon_page页的状态是页面内容已经写入swap分区，实际物理页面已经释放。

4. 匿名页面的换入

匿名页面被换出到swap分区后，如果应用程序需要读写这个页面，缺页中断发生。

因为pte中的L_PTE_PRESENT比特位显示该物理页面不在内存中，但PTE表项不为空，说明该页被交换到swap分区去了，因此调用do_swap_page()函数重新读入该页的内容。

5. 匿名页面销毁

当用户进程关闭或者退出时，会扫描这个用户进程所有的VMAs，并会清除这些VMA上所有的映射，如果符合这些标准，相关页面会被释放。