3、页缓存分配与回收：page fault与缓存填充、内存回收机制(kswapd)、LRU链表与页面换出

页缓存（Page Cache）的生命周期由“分配填充”与“回收换出”两个核心阶段构成。当进程访问一个尚未缓存在内存中的文件页时，内核通过缺页异常（Page Fault）触发缓存分配与磁盘I/O填充；当系统内存压力上升时，kswapd内核线程与直接回收（Direct Reclaim）机制协同工作，依据LRU（Least Recently Used）链表的冷热状态选择页面进行换出或丢弃。本章深入剖析这一完整闭环。

3.1 缺页异常与缓存填充（Page Fault & Cache Fill）

进程通过 read()、mmap() 等系统调用访问文件时，若目标数据页不在Page Cache中，CPU触发Major Page Fault（主缺页）。内核缺页异常处理函数 do_fault() 或 filemap_fault() 负责分配新页框并启动磁盘I/O。

3.1.1 缺页类型与处理路径

3.1.2 缓存填充流程（以文件映射缺页为例）

1. 地址查找： VMA（虚拟内存区域）定位，确认访问合法。
2. Page Cache查找： 调用 find_get_page() 在radix tree（现为xarray）中搜索目标页。
3. 分配页框： 若未命中，调用 page_cache_alloc() 从伙伴系统分配一个干净页框。
4. 加入缓存： 通过 add_to_page_cache_lru() 将新页加入Page Cache的xarray，并同时加入LRU链表。
5. 启动I/O： 调用 mpage_readpage() 或 aops->readpage() 发起磁盘读取。
6. 映射建立： I/O完成后，更新进程页表，建立虚拟地址到物理页框的映射。

3.2 内存回收机制：kswapd与直接回收

当系统内存不足时，内核必须回收部分页面以释放内存。Linux内核采用双路径回收策略：kswapd内核线程在后台异步回收，直接回收（Direct Reclaim）作为同步兜底机制。

3.2.1 kswapd工作原理

kswapd是每个内存节点（NUMA node）上的一个内核线程，其核心逻辑在 balance_pgdat() 函数中实现。它通过监控水位线（Watermark）决定是否启动回收：

3.2.2 直接回收（Direct Reclaim）

当内存分配请求在kswapd回收完成前到达，且空闲内存低于WMARK_MIN时，分配路径会同步调用 try_to_free_pages() 进行直接回收。直接回收是阻塞式的，会导致分配者进程休眠等待，是系统性能抖动的常见来源。

3.3 LRU链表与页面换出

LRU链表是内核管理页面冷热状态的核心数据结构。Linux内核使用双链LRU（活跃链表与不活跃链表）来近似实现LRU语义，避免传统单链表的扫描开销。

3.3.1 双链LRU结构

每个内存节点（pglist_data）维护两组LRU链表：active_list 和 inactive_list。页面在链表之间移动遵循以下规则：

3.3.2 页面换出流程

回收路径（kswapd或直接回收）调用 shrink_lruvec() 扫描LRU链表，具体步骤如下：

1. 扫描不活跃链表： 从 inactive_list 尾部取出页面进行隔离（isolation）。
2. 页面分类： 判断页面类型——脏页（Dirty）、干净页（Clean）、匿名页（Anonymous）、swap cache页。
3. 处理脏页： 脏页需要先回写（writeback）才能释放。回写完成后，页面变为干净页。
4. 释放页框： 干净页直接释放回伙伴系统；匿名页若配置了swap，则写入swap分区后释放。
5. 活跃链表降级： 若扫描active_list，将长时间未被访问的页面移动到inactive_list尾部。

3.4 关键参数与调优方向

理解Page Cache的分配与回收机制后，可以通过调整内核参数优化缓存行为：