浅谈Linux内核的LRU算法作用和原理

在 Linux 内核中，LRU (Least Recently Used，最近最少使用）算法是内存管理的核心策略之一，它旨在高效地管理物理内存（RAM）资源，优化系统性能。其核心是识别并优先回收那些长时间未被访问的内存页，以解决内存不足时的页面置换问题。

 

一、LRU的核心作用与解决的问题

 

问题根源： 物理内存有限，远超内存容量的数据会被缓存到磁盘（Swap空间）。当内存不足时，必须将部分页换出到磁盘。

 

关键痛点： 换出哪些页？

 

错误选择（如换出频繁访问的页）会引发高频磁盘I/O，导致性能急剧下降（"抖动"）。

 

LRU的作用： 最大化保留热数据（近期访问过的页），丢弃冷数据（长期未访问的页），从而降低缺页异常（Page Fault）和磁盘I/O。

 

 

LRU 的优化目标

 

最大化热数据的驻留：频繁访问的页应尽量保留在内存中。

 

最小化冷数据的干扰：长期未使用的页应优先被回收。

 

降低缺页异常（Page Fault）：避免因误回收导致进程反复从磁盘加载数据。

 

二、Linux LRU的实现原理与底层逻辑

 

Linux未使用传统单向LRU链表，而是采用改进的"近似LRU"（Two-List Strategy） 以提高效率并减少锁争用：

 

1. 核心设计：双列表结构

 

所有内存页按访问频率分为两类：

 

活跃列表（Active List）：存放近期被访问过的页（"热数据"），不易被回收。

 

非活跃列表（Inactive List）：存放近期未被访问的页（"冷数据"），优先被回收回收。

 

inux 将内存页分为 4 类 LRU 链表，按访问频率和类型划分：

 

LRU 类型 存储内容 回收优先级

 

ACTIVE_ANON 活跃的匿名页（如进程堆、栈） 低

INACTIVE_ANON 非活跃的匿名页 中

 

ACTIVE_FILE 活跃的文件页（如缓存的文件数据） 低

INACTIVE_FILE 非活跃的文件页 高

 

每个列表进一步划分为：

 

ACTIVE_ANON / INACTIVE_ANON → 匿名页（如进程堆、栈数据）

 

ACTIVE_FILE / INACTIVE_FILE → 文件页（如缓存的文件内容）

 

2. 页的访问追踪：PG_referenced标志

 

每次访问页时，硬件触发缺页中断，内核设置该页的PG_referenced标志位（表示最近被访问过）。

 

扫描逻辑：内核线程（如kswapd）定期检查此标志：

 

若为1，说明最近被访问过 → 将页移到活跃列表尾部（成为新热点数据）。

 

若为0，说明未访问 → 保持原位，留待后续回收。

 

3. 页的状态迁移流程

 

新分配页-->加入Inactive List尾部-->被访问-->标记PG_referenced=1-->周期性扫描时检测到被访问-->迁移到Active List尾部-->周期性扫描未被访问-->迁移回Inactive List头部-->再次未被访问-->被回收或Swap

 

4. 内存回收机制（核心逻辑）

 

当内存不足时（如触发low_wmark水位线）：

 

1.优先扫描非活跃列表：

 

 回收列表头部页（最冷数据）。

 

 若页是脏页（已修改），需先写回磁盘。

 

2.若回收不足，再扫描活跃列表：

 

将多次扫描未被访问的活跃页降级到非活跃列表（refault distance机制）。

 

3.平衡逻辑：kswapd会动态调整扫描比例（如"swappiness"参数），控制回收匿名页与文件页的权重。

 

 

三、实际案例解析：MySQL数据库与文件缓存

 

场景：

 

假设系统运行MySQL服务，内存中缓存了数据库索引（文件页）。

 

同时有多个用户进程通过堆栈处理数据（匿名页）。

 

LRU处理过程：

 

1.初始状态：

 

索引文件被访问 → 缓存在ACTIVE_FILE列表。

 

用户进程数据 → 位于ACTIVE_ANON列表。

 

2.内存不足发生时：

 

kswapd优先扫描INACTIVE_FILE列表（如缓存的日志文件）。

 

若日志长期未读（PG_referenced=0），其页被回收释放内存。

 

3.避免误回收：

 

若MySQL索引被频繁访问（PG_referenced持续置1），会被保留在ACTIVE_FILE中。

 

某个后台进程的长期未访问数据会从ACTIVE_ANON降级到INACTIVE_ANON并被回收。

 

结果：

 

MySQL热数据保留在内存 → 查询命中内存缓存，响应极快。

 

冷数据被高效换出 → 减少无意义的磁盘交换操作。

 

四、工程优化：为什么不是标准LRU？

 

Linux采用近似LRU是工程权衡的结果：

 

传统LRU Linux LRU

 

需严格排序每次访问，开销大 只记录最近是否被访问（≈O(1)复杂度）

 

全局锁竞争激烈 通过双列表减少锁粒度

 

对突发访问敏感（Bélády异常） 非活跃列表作为缓冲区，避免活跃数据误回收

 

无法区分文件/匿名页 按类型分层管理，提升回收精度

 

五、查看LRU行为的工具

 

# 查看各LRU列表大小

cat /proc/meminfo | grep -i active

> Active(anon): 523776 kB

> Inactive(anon): 876544 kB

> Active(file): 1843200 kB

> Inactive(file): 3450880 kB

 

# 统计页面扫描情况（高数字表示频繁回收）

grep pgscan /proc/vmstat

> pgscan_kswapd 19230

> pgscan_direct 450

 

总结：LRU在Linux中的价值

 

核心目标： 在高负载下维持内存分配效率，避免系统"卡死"。

 

工程智慧： 用简化的标志位和双列表，达成接近理想LRU的效果，同时控制计算开销。

 

持续演进： 新机制如Workingset Refault进一步优化冷热页判断，在超大规模内存场景（如云服务器）中尤为重要。

 

通过这种设计，Linux内核在不引入显著开销的情况下，有效地将频繁使用的数据保留在内存中，最大化硬件资源的利用率。