本文聚焦 vmscan 主线：当分配失败或压力升高时，内核如何在匿名页与文件页之间做权衡并回收；并解释 vm.swappiness 等参数如何影响决策。基线：Linux v5.15.200（arm64）。

0. 目标与边界

  • 序号（1..N）：06
  • 模块/主题：reclaim（direct reclaim + kswapd）、LRU、workingset/refault
  • Kernel：v5.15.200，Arch：arm64
  • 源码树：/Volumes/CF/code/source-code/linux-5.15.200
  • 覆盖：
    • direct reclaim：try_to_free_pages() 主线与关键分支
    • kswapd：后台回收线程的唤醒/睡眠与核心循环
    • LRU 扫描：shrink_node() / shrink_lruvec() 栈
    • vm.swappiness 的生效点（映射到 vmscan 关键分支）
  • 不覆盖：
    • swap 子系统实现细节（见【07】）
    • compaction/migration（见【08】）
    • memcg reclaim 的完整机制（与【11】交界，仅做标注）

1. 设计原理

1.1 reclaim 的目标函数

给定一个内存压力场景，reclaim 需要在这些目标之间平衡：

  • 尽快释放可用页，满足分配（避免 OOM）
  • 尽量少伤害工作集（避免回收热页造成 refault/抖动）
  • 在匿名页与文件页之间做 IO 成本与未来代价的权衡（swappiness）
  • 支持 direct reclaim（同步）与 kswapd（异步）两种模式

1.2 路线图（call-path route）

flowchart TD
  A["alloc failure / pressure"] --> D["mm/vmscan.c: try_to_free_pages()"]
  D --> T["mm/vmscan.c: do_try_to_free_pages()"]
  T --> N["mm/vmscan.c: shrink_node()"]
  N --> L["mm/vmscan.c: shrink_lruvec()"]
  L --> IA["shrink_inactive_list()"]
  L --> AC["shrink_active_list()"]
  IA -. "anon" .-> SW["swap-out (see 【07】)"]
  IA -. "file" .-> WB["writeback interaction (see 【04】)"]
  D -. "background" .-> K["mm/vmscan.c: kswapd (kthread)"]

2. 关键数据结构详解

2.1 结构体清单

  • mm/vmscan.c: struct scan_control
  • mm/vmscan.c / include/linux/mmzone.h：struct lruvec
  • mm/workingset.c：workingset/refault 相关结构与计数（按引用点追）

2.2 struct scan_control（一次回收尝试的“配置与状态”）

  • 关键点：
    • 这次回收是 direct 还是后台（影响 aggressiveness 与唤醒策略）
    • reclaim 的目标页数、优先级（priority）、是否允许写回等
  • 你在排障时需要把现象映射到 scan_control 的关键字段（例如 priority 降到很低意味着系统已经非常吃力）。

3. 核心流程源码走读

3.1 direct reclaim：try_to_free_pages() 主线

  1. mm/page_alloc.c 分配失败进入 slowpath（见【05】边界）
  2. mm/vmscan.c: try_to_free_pages()
  3. mm/vmscan.c: do_try_to_free_pages()
  4. mm/vmscan.c: shrink_node()：按 node 扫描
  5. mm/vmscan.c: shrink_lruvec()：按 lruvec 扫描 active/inactive

3.2 kswapd：后台回收线程（概念主线）

  • 创建点：mm/vmscan.c 内 kthread_run(kswapd, ...)（证据见 mm-evidence）
  • 核心：按水位/压力唤醒，循环扫描并回收到目标水位附近，然后睡眠。

4. 慢速/异常路径详解

4.1 写回拥塞（file pages 回收受阻）

  • 现象：reclaim 扫到大量脏页，必须等待 writeback（与【04】交界）
  • 后果：direct reclaim 的同步等待直接映射为业务尾延迟
  • 证据链：
    • /proc/meminfo Dirty/Writeback 高
    • tracepoints：vmscan/writeback 同时活跃

4.2 swap 相关的慢路径

  • 当匿名页成为主要回收对象且允许 swap：会走到 swap-out（见【07】）
  • swappiness 在这里扮演“匿名页 vs 文件页”的权衡参数（生效点见 §5）。

4.3 shrinker 交叉调用

  • slab、inode/dcache 等 shrinker 会让问题跨子系统扩散（排障难度上升）
  • 建议：先用 tracepoint/perf 把主要回收成本定位到具体 shrinker，再回到相应子系统。

5. 调优参数与观测指标（映射到源码）

5.1 vm.swappiness：匿名页 vs 文件页的权衡

  • sysctl 注册：/Volumes/CF/code/source-code/linux-5.15.200/kernel/sysctl.c（vm_table[]）
  • 数据：/Volumes/CF/code/source-code/linux-5.15.200/mm/vmscan.c: vm_swappiness
  • 生效点（导航种子）：
    • mm/vmscan.c 中对 swappiness 的计算与使用（可从 vm_swappiness 引用处追）
    • memcg 场景下还有 mem_cgroup_swappiness(memcg) 分支（与【11】交界）

5.2 /proc & PSI

  • /proc/vmstat：回收相关计数（pgscan/pgsteal 等，建议映射到更新点）
  • /proc/meminfo：Active/Inactive、Dirty/Writeback 等宏观信号
  • /proc/pressure/memory（PSI）：确认是否处于持续内存压力（对排障价值很高）

5.3 tracepoints

  • vmscan：/Volumes/CF/code/source-code/linux-5.15.200/include/trace/events/vmscan.h
  • workingset：/Volumes/CF/code/source-code/linux-5.15.200/include/trace/events/workingset.h（若存在，按源码枚举）

6. 常见问题与源码级解释

6.1 症状：系统抖动，kswapd 占用高

  1. 证据：top 看到 kswapd；PSI 显示 memory pressure；/proc/vmstat scan/steal 很高
  2. 路线：kswapd 循环 → shrink_node/shrink_lruvec
  3. 根因分类：
    • 工作集过大（refault 高）：转 mm/workingset.c 相关指标与 trace
    • 脏页过多：转【04】检查 writeback/dirty 阈值
    • 匿名页主导：看 swappiness 与 swap 行为（转【07】）
    • compaction 频繁：转【08】

6.2 症状：业务尾延迟尖刺（direct reclaim）

  1. 证据：perf 栈显示 try_to_free_pages 出现在业务线程栈上
  2. 定位：是写回等待？是 swap？是 shrinker？把“等待点”钉在 trace/perf 上
  3. 根因落点：mm/vmscan.c 对 scan_control 的策略分支

7. 分析工具箱

  • PSI：判断是否持续压力
    • 命令：cat /proc/pressure/memory
    • 解读：some/full 持续升高 → reclaim 处于常态化
  • vmstat：快速判断扫描/偷取强度
    • 命令：vmstat 1
    • 解读：si/so 与扫描相关字段配合使用（需结合 swap 配置）
  • perf：确认 direct reclaim 是否在前台线程
    • 命令：sudo perf top -g -p <pid>
    • 关注：try_to_free_pages、shrink_node、shrink_lruvec
  • 源码导航
    • K=/Volumes/CF/code/source-code/linux-5.15.200
    • rg -n "\\btry_to_free_pages\\b|\\bdo_try_to_free_pages\\b|\\bshrink_node\\b|\\bshrink_lruvec\\b" $K/mm/vmscan.c
    • rg -n "\\bvm_swappiness\\b" $K/mm/vmscan.c $K/kernel/sysctl.c
    • rg -n "TRACE_EVENT\\(mm_vmscan|TRACE_EVENT\\(vmscan" $K/include/trace/events/vmscan.h

附录 I：讲解提纲包（Explain Pack）

30 秒定义

reclaim 是在内存压力下通过扫描 LRU（以及 shrinker）回收页面的机制；direct reclaim 在业务线程上同步执行、kswapd 在后台异步执行；vm.swappiness 等参数影响匿名页与文件页的回收比例与 IO 行为。