操作系统中的内存管理：内存回收（Memory Reclaiming）机制详解 1. 内存回收的基本概念 内存回收是操作系统在内存资源不足时，通过释放已分配但不再使用的内存页或块，以满足新的内存分配需求的过程。回收的目标包括： 物理内存页 ：由页框分配器管理，可能被进程占用但实际未活跃使用。 内核对象缓存 ：如slab分配器中的空闲对象。 文件缓存 ：缓存的文件数据页，在内存紧张时可被丢弃或写回磁盘。 内存回收的触发条件通常包括： 系统空闲内存低于阈值（如Linux的 lowmem_reserve_ratio ）。 进程申请内存时发现物理内存不足。 定期唤醒的内核线程（如 kswapd ）主动回收。 2. 内存回收的核心机制 2.1 页框回收（Page Frame Reclaiming） 物理内存页分为 匿名页 （进程堆栈、数据）和 文件页 （缓存的文件数据）。回收策略不同： 文件页 ：若为干净页（与磁盘一致），直接丢弃；若为脏页（已修改），需写回磁盘后再释放。 匿名页 ：无法直接丢弃，需通过 交换机制 （Swapping）写入交换分区/文件，再释放物理页。 2.2 最近最少使用（LRU）链表 操作系统通过LRU算法识别可回收的页： 内核为每个内存页维护 访问标志 （如 PG_referenced ），通过时钟中断定期扫描页表项标记访问状态。 页被分为 活跃链表 （Active List）和 非活跃链表 （Inactive List）： 新分配的页加入活跃链表尾部。 定期扫描时，若页近期被访问，则移至活跃链表尾部；否则移至非活跃链表。 回收时优先从非活跃链表头部取页（最久未使用）。 2.3 交换机制（Swapping） 匿名页回收依赖交换空间（磁盘区域）： 换出 ：将非活跃匿名页内容写入交换区，并在页表中标记为“不在内存”。 换入 ：进程访问被换出的页时触发 缺页异常 ，内核从交换区读回数据，分配新物理页并更新页表。 3. 内存回收的具体流程（以Linux为例） 步骤1：触发回收 进程申请内存时，若 zone->free_pages 低于阈值，调用 __alloc_pages_slowpath() 进入回收流程。 内核线程 kswapd 定期检查内存水位，主动触发异步回收。 步骤2：选择回收目标 通过 LRU链表 确定候选页： 扫描非活跃链表，检查页的 PG_referenced 标志： 若近期被访问，重新加入活跃链表（给予第二次机会）。 否则标记为可回收。 若非活跃链表不足，从活跃链表迁移部分页到非活跃链表。 步骤3：页类型处理 文件页 ：调用 writepage() 将脏页写入磁盘，清除脏标志后释放页框。 匿名页 ：调用 swap_writepage() 将页内容写入交换区，记录交换槽号，释放页框。 步骤4：回收完成 释放的页框加入空闲链表，供新分配使用。 若回收后仍无法满足请求，可能触发 OOM Killer 终止占用内存最多的进程。 4. 优化与挑战 4.1 回收压力控制 水位线机制 ：设置 min/low/high 三个阈值，避免频繁回收。 交换倾向性 ：通过 /proc/sys/vm/swappiness 调整匿名页与文件页的回收比例（0倾向文件页，100倾向匿名页）。 4.2 避免过度回收 Refault Distance算法 ：记录页被回收后重新访问的频率，若频繁被重新加载，则避免回收此类页。 内存压缩 ：对可移动的页进行整理，减少外部碎片，间接降低回收需求。 4.3 特殊场景处理 内存耗尽 ：直接回收可能阻塞进程，需依赖异步回收或OOM Killer。 NUMA系统 ：优先回收本地节点的内存，避免跨节点访问代价。 5. 总结 内存回收是操作系统平衡内存效率与资源限制的核心机制，其关键在于： 通过LRU链表识别冷内存页。 区分文件页（可丢弃）和匿名页（需交换）。 结合异步回收（ kswapd ）与同步回收（直接请求）应对不同场景。 理解这一机制有助于优化程序内存使用，避免频繁交换导致的性能下降。