哈喽，我是子牙，一个很卷的硬核男人

深入研究计算机底层、Windows内核、Linux内核、Hotspot源码……聚焦做那些大家想学没地方学的课程。为了保证课程质量及教学效果，一年磨一剑，三年先后做了这些课程：手写JVM、手写OS、带你用纯汇编写OS、手写64位多核OS、实战Linux内核…

这篇文章给大家分享Linux内核内存模块一个很重要的知识点：水位线，就是这玩意

这玩意干啥的呢？控制内存回收的。这玩意是理解Linux内核物理内存管理模块一个非常重要的知识点，还有一个就是lowmem_reserve，这个后面写文章详谈

关于水位线，能搜到的资料还是蛮多的，有的讲得蛮好的，但是我没有看到一篇文章是单步调试Linux内核给出证明的，如所有讲底层的文章还是一样，只是讲原理。所以我准备取其精华去其糟粕，结合自己的理解，再结合我能做到的单步调试Linux内核，写一篇通俗易懂、有理有据的文章。如果你觉得有收获，用你的小手点下分享就是对我最大的支持，创作不易……

我会分享这些：

1. 水位线是个什么东东，机制是怎样的？

2. Linux内核中有几条水位线，水位线的值是如何算出来的

3. Linux内核是如何基于水位线控制内存回收线程的

4. NUMA架构中，水位线是如何工作的

5. 如果证明你说的都是对的

6. 我想根据业务需求调整内存，怎么做

关注公众号【硬核子牙】，我写的硬核文章，关于操作系统、Linux内核、Java虚拟机…

本文是基于64位Linux内核写的，以下，enjoy

01   水位线watermark

如果你是做Java、Python、PHP的，你肯定听过垃圾收集器（GC），你写程序时不用考虑内存的申请与回收，都是由虚拟机帮你完成的。那虚拟机如何知道何时回收呢？有个阈值对吧，内存使用达到那个阈值就启动回收线程进行回收。这里说的水位线就相当于是这个阈值

那Linux内核中有几条水位线呢？三条。对应的阈值就是三个：

这三条水位线与内存回收线程之间是如何协同工作的呢？如图

从图中我们可以得出：

1. 如果内存容量在high水位线之上，线程kswapd进入sleep

2. 随着内存不断被使用，如果该zone中的可用内存，即managed_pages，低于low水位线，线程kswapd就会激活，进行异步内存回收

3. 如果该zone中的可用内存，低于min水位线，这时候就会进入同步内存回收，即在__alloc_pages_slowpath函数中阻塞分配内存并尝试直接内存回收(reclaim)、内存压缩(compact)、更甚者OOM Killer强制回收，直到tatol size大于high水位线，回收才会停止

虽然从图中能得出这些信息，但是我猜这些问题是你想问的。比如：

1. 什么是zone

2. kswapd与zone之间的关系

3. 水位线watermark与zone之间的关系

接着走……

02  Linux内核内存结构

有木有听过SMP、UMA、NUMA？不了解的话可以看下我之前写的相关文章 传送门

Linux内核是基于NUMA架构设计的，SMP/UMA架构被视为一个NUMA节点，如图

每个NUMA节点，在Linux内核中对应一个pglist_data对象。将每个NUMA节点包含的内存划分为多个zone进行管理，在Linux内核中的存在形式就是zone对象，关于zone是如何划分的，上面提到的文章里有讲到

水位线是与zone相关联的，而回收线程是与pglist_data相关联的，即一个NUMA节点只有一个内存回收线程kswapd。其实在内存紧张的时候，除了内存回收，还有内存压缩，对应的线程是kcompactd，这个后面有机会再聊

那水位线与zone之间的关系是怎样的呢？如图

到这里我们已经知道了：

1. Linux内核是基于NUMA架构进行设计的，SMP/UMA架构在Linux内核中被视为只有一个节点的NUMA架构，用pglist_data对象来表示，内置一个内存回收线程kswapd

2. Linux内核将一个NUMA节点中的内存分成几个ZONE进行管理，如果是64位内核，则包含这三个ZONE：DMA、DMA32、NORMAL

3. 每个ZONE都有三条水位线：high、low、min，当每个zone的可用内存，即managed_pages，越过这三条水位线，分别会触发不同的内存回收机制

接下来咱们就来单步调试Linux内核，看三条水位线的阈值是如何算出来的

03  单步调试Linux内核论证

high与low是在min的基础上算出来的，所以我们先来看min是怎么算出来的

网上的文章大部分都说到它们三个之间的关系是这样的，其实是错的

我怎么证明他们说的是错的呢？我单步调试内核看结果的

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min的计算公式是这样的

min = 当前NUMA节点要保留的最少page数 * 当前zone的总page数 / 当前NUMA节点的总page数

你是不是想问：公式为什么是这样的？那你得去问写这个Linux内核源码的coder了

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当前NUMA节点的总page数是怎么算出来的呢？是每个zone的managed_pages - high_pages相加得到的，如图

得到当前NUMA节点的总page数=1259658pages

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当前NUMA节点要保留的最少page数怎么算出来的呢？

将计算得到的new_min_free_kbytes与用户想优化内存设置的user_min_free_kbytes进行比较，直接看代码吧

经过一系列运算，得到当前NUMA节点要保留的最少page数=8978kbytes=2244pages

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计算min的三个数据都有了，就可以计算min的值了，比如DMA区域的min的值

2244 * 3977 / 1259658 = 7

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再来看high、low的值是如何算出来的

mult_frac的运算公式是

tmp就是在7乘以2与Result之间取最大值，结果是3。所以low的结果是10，high的结果是13

watermark_scale_factor的值是多少呢？

我们学习一个东西是为了用对吧！接下来看看，我们学会了水位线机制，那我们能用它来做什么呢？Linux内核内存调优！接下来讲讲如何做内存调优

04  Linux内核内存优化

从上面的讲解中可以看出，Linux内核提供了两个参数让我们可以调整内存：

1. user_min_free_kbytes

2. watermark_scale_factor

设置user_min_free_kbytes会影响三条水位线，设置watermark_scale_factor只会影响两条水位线：low、high。

user_min_free_kbytes更多地关注于保证系统在内存紧张时的稳定性和关键操作的可行性。所以内存密集型应用，可以调大user_min_free_kbytes，以减少同步回收内存的巨大消耗

而watermark_scale_factor则提供了一种机制，根据系统当前的内存状况动态调整内存回收的敏感度，以平衡性能和资源利用。一般不太会调

如何设置这两个参数呢：

这样设置会立即生效，对应的处理逻辑

至此，关于水位线的all就讲完了。你学会（废）了吗？如果觉得还不错，可以帮忙分享一下吗？

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为了保证课程质量，课程所有内容由子牙老师亲授！Linux内核中，少部分代码是体系相关的，主要受CPU架构的影响，绝大多数代码是体系无关的。这套课程是基于x86_64架构，你如果是ARM、MIPS、RISCV架构，也可以学，技多不压身！