性能測試必備知識（10）- Linux 是怎麼管理內存的？

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內存映射

日常生活常說的內存是什麼

比方說，我的筆記本電腦內存就是 8GB 的
這個內存其實是物理內存
物理內存也稱為主存，大多數計算機用的主存都是動態隨機訪問內存（DRAM）

靈魂拷問

只有內核才可以直接訪問物理內存，那麼進程要訪問內存時，怎麼辦？

虛擬地址空間

為了解決上面的問題，Linux 內核給每個進程都提供了一個獨立的虛擬地址空間，並且這個地址空間是連續的
這樣，進程就可以很方便地訪問內存，更確切地說是訪問虛擬內存

內部

虛擬地址空間的內部又被分為內核空間和用戶空間兩部分
不同字長（單個 CPU 指令可以處理數據的最大長度）的處理器，地址空間的範圍也不同

最常見的 32 位和64 位系統的虛擬地址空間

32 位系統的內核空間佔用 1G，位於最高處，剩下的 3G 是用戶空間
而 64 位系統的內核空間和用戶空間都是 128T，分別佔據整個內存空間的最高和最低處，剩下的中間部分是未定義的

進程的用戶態和內核態

進程在用戶態時，只能訪問用戶空間內存
只有進入內核態後，才可以訪問內核空間內存
雖然每個進程的地址空間都包含了內核空間，但這些內核空間，其實關聯的都是相同的物理內存
這樣，進程切換到內核態後，就可以很方便地訪問內核空間內存

為什麼會有內存映射

既然每個進程都有一個這麼大的地址空間，那麼所有進程的虛擬內存加起來，自然要比實際的物理內存大得多
所以，並不是所有的虛擬內存都會分配物理內存，只有那些實際使用的虛擬內存才分配物理內存
並且分配後的物理內存，是通過內存映射來管理的

什麼是內存映射

內存映射，其實就是將虛擬內存地址映射到物理內存地址
為了完成內存映射，內核為每個進程都維護了一張頁表，記錄虛擬地址與物理地址的映射關係

頁表實際上存儲在 CPU 的內存管理單元 MMU 中
正常情況下，處理器就可以直接通過硬件，找出要訪問的內存
在頁表的映射下，進程就可以通過虛擬地址來訪問物理內存了

靈魂拷問

么具體到一個 Linux 進程中，這些內存又是怎麼使用的呢？

虛擬內存空間分佈

回答上面的問題，需要進一步了解虛擬內存空間的分佈情況

用戶空間內存，其實又被分成了多個不同的段

這是 32 位系統，用戶空間內存，從低到高分別是五種不同的內存段

只讀段：包括代碼和常量等
數據段：包括全局變量等
堆：包括動態分配的內存，從低地址開始向上增長
文件映射段：包括動態庫、共享內存等，從高地址開始向下增長
棧：包括局部變量和函數調用的上下文等。棧的大小是固定的，一般是 8 MB

在這五個內存段中，堆和文件映射段的內存是動態分配的

比如說，使用 C 標準庫的 malloc() 或者 mmap() ，就可以分別在堆和文件映射段動態分配內存

其實 64 位系統的內存分佈也類似，只不過內存空間要大得多

靈魂拷問

內存究竟是怎麼分配的呢？

內存分配與回收

分配

malloc() 是 C 標準庫提供的內存分配函數，對應到系統調用上，有兩種實現方式，即 brk() 和 mmap()

brk()

對小塊內存（小於 128K），C 標準庫使用 brk() 來分配
也就是通過移動堆頂的位置來分配內存
這些內存釋放後並不會立刻歸還系統，而是被緩存起來，這樣就可以重複使用
優點：緩存可以減少缺頁異常的發生，提高內存訪問效率
缺點：由於這些內存沒有歸還系統，在內存工作繁忙時，頻繁的內存分配和釋放會造成內存碎片

mmap()

大塊內存（大於 128K），則直接使用內存映射 mmap() 來分配，也就是在文件映射段找一塊空閑內存分配出去
缺點：分配的內存，會在釋放時直接歸還系統，所以每次 mmap 都會發生缺頁異常；在內存工作繁忙時，頻繁的內存分配會導致大量的缺頁異常，使內核的管理負擔增大， 這也是 malloc 只對大塊內存使用 mmap 的原因

總結

當這兩種調用發生後，其實並沒有真正分配內存
這些內存，都只在首次訪問時才分配，也就是通過缺頁異常進入內核中，再由內核來分配內存

Linux 使用夥伴系統來管理內存分配

這些內存在 MMU 中以頁為單位進行管理，夥伴系統也一樣，以頁為單位來管理內存，並且會通過相鄰頁的合併，減少內存碎片化
在用戶空間，malloc 通過 brk() 分配的內存，在釋放時並不立即歸還系統，而是緩存起來重複利用
在內核空間，Linux 則通過 slab 分配器來管理小內存
你可以把 slab 看成構建在夥伴系統上的一個緩存，主要作用就是分配並釋放內核中的小對象

釋放內存

對內存來說，如果只分配而不釋放，就會造成內存泄露，甚至會耗盡系統內存
所以，在應用程序用完內存後，還需要調用 free() 或 unmap() ，來釋放這些不用的內存

回收

系統不會任由某個進程用完所有內存，在發現內存緊張時，系統就會通過一系列機制來回收內存

回收緩存：比如使用 LRU（Least Recently Used）算法，回收最近使用最少的內存頁面
回收不常訪問的內存：把不常用的內存通過交換分區直接寫到磁盤中
殺死進程：內存緊張時系統還會通過 OOM（Out of Memory），直接殺掉佔用大量內存的進程

回收不常訪問的內存

會用到交換分區（以下簡稱 Swap）
Swap 其實就是把一塊磁盤空間當成內存來用
它可以把進程暫時不用的數據存儲到磁盤中（這個過程稱為換出），當進程訪問這些內存時，再從磁盤讀取這些數據到內存中（這個過程稱為換入）
通常只在內存不足時，才會發生 Swap 交換
優點：Swap 把系統的可用內存變大了
缺點：由於磁盤讀寫的速度遠比內存慢，所以 Swap 會導致嚴重的內存性能問題

OOM

是內核的一種保護機制

它監控進程的內存使用情況，並且使用 oom_score 為每個進程的內存使用情況進行評分：

一個進程消耗的內存越大，oom_score 就越大，越容易被 OOM 殺死，從而保護系統
一個進程運行佔用的 CPU 越多，oom_score 就越小

可以通過 /proc 文件系統，手動設置進程的 oom_adj ，從而調整進程的 oom_score

oom_adj 的範圍是 [-17, 15] ，數值越大，表示進程越容易被 OOM 殺死；數值越小，表示進程越不容易被 OOM 殺死，其中 -17 表示禁止 OOM

調整 oom_score 的栗子

把 sshd 進程的 oom_adj 調小為 -16，這樣， sshd 進程就不容易被 OOM 殺死

echo -16 > /proc/$(pidof sshd)/oom_adj

如何查看內存使用情況

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顯示的是整個系統的內存使用情況

博客地址待更新…

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可以查看系統內存使用情況，也可以看進程的，具體可以看下面的博客哦

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