[linux内存管理] 第 052 篇 shrink_page_list：内存回收的“最后一道关口”

shrink_page_list() 是 Linux 内存回收机制中最关键的核心函数。它从 LRU 链表取出页面，逐个做出“回收还是保留”的判决，并将可回收页面真正释放到 buddy system。如果说 shrink_node 是调度回收，那么 shrink_page_list 就是真正的执行层——每一页的命运在这里决定。

文件位置: mm/vmscan.c

调用者：

reclaim_clean_pages_from_list() — clean pages 快速回收
reclaim_pages() — 批量页面回收

全链路位置：

get_page_from_freelist → __alloc_pages_slowpath → __alloc_pages_direct_reclaim
  → __perform_reclaim → try_to_free_pages → do_try_to_free_pages
  → shrink_zones → shrink_node → shrink_lruvec → shrink_list → shrink_inactive_list
  → shrink_page_list  ← 最终执行层

一、函数签名与数据结构

static unsigned int shrink_page_list(struct list_head *page_list,   // 待回收页面列表
                                     struct pglist_data *pgdat,   // 节点数据结构
                                     struct scan_control *sc,     // 回收控制（nr_to_reclaim/may_writepage等）
                                     struct reclaim_stat *stat,   // 统计信息
                                     bool ignore_references)      // 是否忽略引用检查

返回: 回收的页面总数（以基数页为单位）。

三个本地临时链表：

ret_pages：需要放回 LRU 的页面（未回收成功）
free_pages：已经回收、可直接释放给 buddy system 的页面
demote_pages：需要降级到其他 NUMA 节点的 THP 页面

初始化阶段：

清除 reclaim_stat 结构体（0 初始化各计数器）
调用 can_demote(pgdat->node_id, sc) 判断是否开启 NUMA 降级通道
调用 cond_resched() 释放 CPU 给其他进程

二、主循环：逐个页面回收决策（核心）

从 LRU 链表末尾取出页面，进入循环（retry 标签开始），对每个页面执行以下检查链：

2.1 预检查

获取页面锁：

if (!trylock_page(page))
    goto keep;

用 trylock_page 尝试获取自旋锁，失败则跳过该页面，保持原位置不动
防止并发竞争，确保页面操作的安全性
后续有 activate_locked 和 keep_locked 标签，统一处理解锁逻辑

活跃度断言：

VM_BUG_ON_PAGE(PageActive(page), page);

进入该函数时页面必须处于 inactive 状态，活跃页不在传入的列表中
这是一个安全断言，生产环境也会检查

计算复合页基数：

nr_pages = compound_nr(page);

普通页 nr_pages = 1
THP（透明大页）nr_pages = 512（4MB）
后续统计会按基数计算

页面可回收性检查：

if (unlikely(!page_evictable(page)))
    goto activate_locked;

page_evictable() 检查页面是否可以被回收（不能回收的页面包括 mlocked 页、不可迁移页等）
不满足条件的页面被激活并放回到 active 链表

映射检查：

if (!sc->may_unmap && page_mapped(page))
    goto keep_locked;

如果 scan_control.may_unmap == 0（不允许拆掉页表映射），且页面正在被用户空间映射，则不能回收，直接保持
在直接回收时可能设置 may_unmap=1，允许拆除映射

三、脏页和回写分析

获取脏页/回写状态：

page_check_dirty_writeback(page, &dirty, &writeback);
if (dirty || writeback)
    stat->nr_dirty++;
if (dirty && !writeback)
    stat->nr_unqueued_dirty++;

统计脏页数量和未入队列的脏页
nr_unqueued_dirty 是关键指标：如果大量脏页都没有在回写队列中，意味着脏页回收策略可能失效

检查 BDI 设备阻塞：

mapping = page_mapping(page);
if (((dirty || writeback) && mapping &&
     inode_write_congested(mapping->host)) ||
    (writeback && PageReclaim(page)))
    stat->nr_congested++;

如果页面对应文件所在 inode 的写入设备（BDI）处于阻塞状态，记录 congested
这是 shrink_zones 中决定是否需要 stall 的依据（PGDAT_WRITEBACK 标志）

回写页面的三种处理策略

当 PageWriteback(page) 时，进入三重决策：

Case 1 — kswapd + 大量回写 + PGDAT_WRITEBACK 已设置：

if (current_is_kswapd() && PageReclaim(page) &&
    test_bit(PGDAT_WRITEBACK, &pgdat->flags)) {
    stat->nr_immediate++;
    goto activate_locked;
}

kswapd 正在运行，并且该页已被标记为立即回收，且节点上已有很多页在回写
说明磁盘回写系统已经不堪重负，不再等待此页，直接激活并跳过，继续扫描其他页面
后续 shrink_zones 会看到 congested 标记并做 stall

Case 2 — 非 kswapd / 非 PageReclaim / 或无文件系统权限：

} else if (writeback_throttling_sane(sc) ||
           !PageReclaim(page) || !may_enter_fs) {
    SetPageReclaim(page);
    stat->nr_writeback++;
    goto activate_locked;
}

对非直接回收的线程（kswapd 或带 __GFP_FS 的分配器线程），且页面不在立即回收标记上
将该页标记为 PageReclaim，激活并跳过，让其他干净页先回收
下一次再遇到这个页时，PageReclaim 标志存在，会走 case 3

Case 3 — 其他所有情况（legacy memcg 或必须等待）：

} else {
    unlock_page(page);
    wait_on_page_writeback(page);
    list_add_tail(&page->lru, page_list);
    continue;
}

释放锁，原地睡眠等待回写完成
将页面放回 LRU 末尾，然后 continue 处理下一个页面
这是一个重阻塞操作，通常只在 memcg 回收中出现（memcg 没有脏页限速机制，必须等待）

四、引用检查与决策

if (!ignore_references)
    references = page_check_references(page, sc);

page_check_references()通过 page_referenced(page, sc) 来判定页面引用状态：

使用 rmap 链 遍历页面在所有 VMA 中的映射，检查页表项中的 accessed/dirty 位
如果页面在最近一次扫描期间被访问过，返回 PAGEREF_ACTIVATE
如果页面未被引用但仍有保留价值，返回 PAGEREF_KEEP
否则返回 PAGEREF_RECLAIM 或 PAGEREF_RECLAIM_CLEAN

决策 switch：

PAGEREF_ACTIVATE → 激活页面到 active 链表
PAGEREF_KEEP → 保持在 inactive 链表
PAGEREF_RECLAIM / RECLAIM_CLEAN → 继续回收

五、THP 降级通道

if (do_demote_pass &&
    (thp_migration_supported() || !PageTransHuge(page))) {
    list_add(&page->lru, &demote_pages);
    unlock_page(page);
    continue;
}

如果开启了降级（can_demote 返回 true），且节点支持 THP 迁移或当前不是 THP
页面被加入降级列表，稍后调用 demote_page_list 迁移到其他 NUMA 节点
这避免了在单节点内存耗尽时被迫回收页面，先将大块页面迁走

六、匿名页面 Swap 分配

if (PageAnon(page) && PageSwapBacked(page)) {

处理匿名页（没有文件映射，只存在于 swap 或物理内存）。

未分配 swap 的情况：

if (!PageSwapCache(page)) {

如果页面还没有被加入 swap cache（即首次遇到这个匿名页）
检查 __GFP_IO 标志，如果没有则不能分配 swap，保持页面
检查是否被 DMA 固定（page_maybe_dma_pinned），如果是则保持
处理 THP：先尝试拆分，如果无法拆分就激活
关键调用 add_to_swap(page)：
- add_to_swap() 调用 get_swap_page() 获取一个 swap slot
- 然后调用 add_to_swap_cache() 将页加入 swap cache，设置 PageSwapCache 标志
- 如果分配成功，后续 pageout() 会直接写回 swap

THP 拆分：

如果无法分配 swap（THP），先拆分 THP 到列表，再对拆分后的小页尝试 add_to_swap
如果拆分成功且小页也分配了 swap，nr_pages 会减小为 1（行 1655-1658）

七、文件映射页面的处理

解除映射（page_mapped 检查）：

if (page_mapped(page)) {
    try_to_unmap(page, TTU_BATCH_FLUSH);
    if (page_mapped(page)) {
        stat->nr_unmap_fail += nr_pages;
        goto activate_locked;
    }
}

调用 try_to_unmap()（mm/rmap.c）通过 rmap 遍历所有页表项，用 ptep_clear_flush() 拆掉映射
如果拆除后页面仍然有映射，说明有未拆掉的映射，回收失败，激活页面
ttu_flags 使用 TTU_BATCH_FLUSH，可以批量 flush TLB，提高效率

脏文件页回写（PageDirty）：

如果是匿名页且 dirty，已经在上面处理
如果是文件映射的 dirty 页，则走 pageout() 路径
先检查：如果不是 kswapd 或者不满足脏页阈值，直接激活
否则调用 pageout(page, mapping)：
- 对 swap-backed 匿名页，直接写回 swap（page_mkwrite 检查）
- 对文件映射页，调用 mapping->a_ops->writepage(page, &wbc)，走文件系统回写
返回值：
- PAGE_KEEP：保持页面
- PAGE_ACTIVATE：激活页面
- PAGE_SUCCESS：回写成功
- PAGE_CLEAN：页面变干净（回写前已 dirty 但现在干净），可以释放

页面私有 buffer：

if (page_has_private(page)) {
    if (!try_to_release_page(page, sc->gfp_mask))
        goto activate_locked;
}

一些页面有私有 buffer（如块设备页面）
调用 try_to_release_page 尝试释放所有 buffer，释放成功后页面可以回收

八、页面释放（free_it 路径）

if (PageAnon(page) && !PageSwapBacked(page)) {

如果匿名页清除了 PG_swapbacked 标志（lazyfree），则可以直接释放
调用 page_ref_freeze(page, 1) 冻结页面引用计数，如果冻结失败则保持
计数 PGLAZYFREED，然后进入 free_it 路径

通用释放：

} else if (!mapping || !__remove_mapping(mapping, page, true, ...))
    goto keep_locked;

调用 __remove_mapping(mapping, page, true, ...) 从 address_space 中移除页面
返回 false 表示移除失败（mapping 非空且页面仍被 mapping 引用），需要保持
否则进入释放流程

真正释放（free_it 标签）：

free_it:
nr_reclaimed += nr_pages;
if (unlikely(PageTransHuge(page)))
    destroy_compound_page(page);
else
    list_add(&page->lru, &free_pages);

计数回收的页面
THP 调用 destroy_compound_page 销毁复合页面
普通页或 THP 拆分后的小页加入 free_pages 链表

九、激活路径（activate_locked）

activate_locked:
if (PageSwapCache(page) && (mem_cgroup_swap_full(page) || PageMlocked(page)))
    try_to_free_swap(page);
SetPageActive(page);
stat->nr_activate[page_is_file_lru(page)] += nr_pages;

先清理 swap 缓存中已不需要的条目
将页面标记为 Active
按 page type（文件页/匿名页）分别统计激活数量
后续会调用 lru_add_active_page() 将其加入 active 链表尾部

十、保持路径（keep/keep_locked）

keep_locked:
unlock_page(page);
keep:
list_add(&page->lru, &ret_pages);

先解锁，然后将页面放回 ret_pages 链表
最终会 list_splice(&ret_pages, page_list) 把所有需要保留的页面放回 LRU

十一、循环结束与批量操作

降级页面处理：

nr_reclaimed += demote_page_list(&demote_pages, pgdat);

如果降级成功，返回释放的页面数
降级失败则回退到重试

释放 batch 页面：

mem_cgroup_uncharge_list(&free_pages);
try_to_unmap_flush();
free_unref_page_list(&free_pages);

解计费控制组计费
flush TLB（处理所有被拆除的映射）
批量将 free_pages 中的页面释放给 buddy system

放回 LRU 并统计激活：

list_splice(&ret_pages, page_list);
count_vm_events(PGACTIVATE, pgactivate);

将需要保留的页面放回原 LRU 链表
更新虚拟内存统计

十二、决策流程图

开始：遍历 page_list（LRU inactive 链）
    │
    ├── trylock_page 失败？→ keep (保留在原位)
    │
    ├── page_evictable 失败？→ activate_locked (激活，放 active 链)
    │
    ├── may_unmap=0 && page_mapped？→ keep_locked (保持)
    │
    ├── dirty/writeback？
    │   ├── dirty 页 + 脏 BDI → congested++，继续
    │   └── PageWriteback？
    │       ├── kswapd + 回写阻塞 → activate_locked (跳过)
    │       ├── 非kswapd/无fs权限 → SetPageReclaim, activate_locked
    │       └── 其他（memcg）→ sleep + 放回尾部
    │
    ├── page_check_references 检查
    │   ├── PAGEREF_ACTIVATE → activate_locked
    │   ├── PAGEREF_KEEP → keep_locked
    │   └── PAGEREF_RECLAIM/RECLAIM_CLEAN → 继续
    │
    ├── 可降级？→ demote_pages 降级 (跨 NUMA 迁移)
    │
    ├── PageAnon && PageSwapBacked && !PageSwapCache？
    │   ├── add_to_swap (分配 swap slot + swap cache)
    │   └── 失败？→ activate_locked
    │
    ├── page_mapped？
    │   └── try_to_unmap → 仍被映射？→ activate_locked
    │
    ├── PageDirty 脏页？
    │   ├── 非kswapd 且脏页阈值不满足 → activate_locked
    │   ├── pageout() 回写 (swap 或 file writepage)
    │   │   ├── PAGE_KEEP → keep_locked
    │   │   ├── PAGE_ACTIVATE → activate_locked
    │   │   └── PAGE_SUCCESS/CLEAN → 继续释放
    │   └── try_to_release_page (私有 buffer) → 失败则激活
    │
    ├── PageAnon && !PageSwapBacked (lazyfree)？
    │   └── page_ref_freeze + count PGLAZYFREED
    │
    ├── __remove_mapping 失败？→ keep_locked
    │
    └── free_it: 加入 free_pages 链
        └── 最终 free_unref_page_list 释放给 buddy

循环结束 → demote + free batch → 放回 ret_pages 到 LRU

十三、关键统计字段

reclaim_stat 在每次调用 shrink_page_list 时统计：


字段	含义
`nr_dirty`	被检查到的脏页总数
`nr_unqueued_dirty`	脏页但未进入回写队列的数量
`nr_congested`	遇到阻塞设备的页
`nr_immediate`	需要立即激活的页（回写阻塞）
`nr_writeback`	标记 PageReclaim 后激活的页
`nr_ref_keep`	引用检查后保持的页
`nr_unmap_fail`	映射拆除失败的页
`nr_lazyfree_fail`	lazyfree 释放失败的页
`nr_pageout`	回写成功的页
`nr_activate[0/1]`	按类型（文件/匿名）激活的页

这些统计信息传递给 shrink_list，进一步决定是否需要扫描更多页或进入下一阶段。

十四、与其他函数的协作


函数	职责	与 shrink_page_list 的关系
`page_referenced` (rmap.c)	通过 rmap 检查页面引用	被 `page_check_references` 调用
`try_to_unmap` (rmap.c)	拆除页表映射	直接处理被映射页
`add_to_swap` (swap_state.c)	分配 swap slot	为匿名页分配 swap
`pageout` (vmscan.c)	回写 dirty 页	对 dirty 页执行 writepage
`can_demote` (vmscan.c)	判断是否开启降级	初始化阶段判断
`page_evictable` (internal.h)	判断页面可回收性	预检查的第一关

总结

shrink_page_list 是 Linux 内存回收中最复杂的决策函数，它通过一系列条件检查和操作路径，对每个页面做出回收、激活或保持的判决。这个函数是整个内存回收机制的“执行引擎”，直接决定了回收效率和页面管理质量。

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