Linux性能优化实战学习笔记：第十五讲

一、内存映射

内存管理也是操作系统最核心的功能之一，内存主要用来存储系统和应用程序的指令、数据、缓存等

1、我们通说的内存指的是物理内存还是虚拟内存？

我们通常说的内存容量，其实这指的是物理内存，物理内存也称为主存，大多数计算机用的主存都是动态随机访问内存（DRAM）。只有内核才可以直接访问物理内存。

那么，进程要访问内存时，该怎么办呢？

2、进程是如何访问内存的？

Linux 内核给每个进程都提供了一个独立的虚拟地址空间，并且这个地址空间是连续的。这样，进程就可以很方便地访问内存，更确切地说是访问虚拟内存

3、虚拟内存的内核空间和用户空间分布图

4、进程是如何访问内核空间内存的？

进程在用户态时，只能访问用户内存；只有进入内核态后，才可以访问内核空间内存，虽然每个进程的地址空间都包含了内核空间，但这些内核空间，其实关联的都是想同的物理内存

这样、进程切换到内核态后，就可以很方便地访问内核空间内存

5、并不是所有的虚拟机内存都会分配物理内存

既然每个进程都有一个这么大的地址空间，那么所有进程的虚拟内存加起来，自然要比实际的物理内存大得多

所以并不是所有的虚拟机内存都会分配物理内存，只有那些实际使用的虚拟机内存才分配物理内存，并且分配后的物理内存，是通过内存映射来管理的

6、什么是内存映射？

内存映射，其实就是将虚拟内存地址映射到物理内存地址，为了完成内存映射，内核为每个进程都维护了一张页表，
记录虚拟地址与物理地址的映射关系，如下图所示：

页表实际上存储在 CPU 的内存管理单元 MMU 中，这样，正常情况下，处理器就可以直接通过硬件，找出要访问的内存

7、进程访问的虚拟地址在页表中查不到，怎么办？

当进程访问的虚拟地址在页表中查不到时，系统会产生一个缺页异常，进入内核空间分配物理内存、更新进程页表，最后再返回用户空间、恢复进程运行

8、什么是TLB？TLB的作用是什么

TLB 其实就是 MMU 中页表的高速缓存，由于进程的虚拟地址空间是独立的，而 TLB 的访问速度又比MMU 快得多，

所以，通过减少进程的上下文切换，减少 TLB 的刷新次数，就可以提高 TLB 缓存的使用率，进而提高 CPU 的内存访问性能。

9、MMU 是以什么为单位来管理内存？

不过要注意，MMU 并不以字节为单位来管理内存，而是规定了一个内存映射的最小单位，也就是页，通常是 4 KB大小，

这样，每一次内存映射，都需要关联 4 KB 或者 4KB 整数倍的内存空间

10、如何减少页表的项数

页的大小只有 4 KB ，导致的另一个问题就是，整个页表会变得非常大。比方说，仅 32 位系统就需要 100 多万个页表项（4GB/4KB），才可以实现整个地址空间的映射。

为了解决页表项过多的问题，Linux 提供了两种机制，也就是多级页表和大页（HugePage）。

11、多级页

多级页表就是把内存分成区块来管理，将原来的映射关系改成区块索引和区块内的偏移。由于虚拟内存空间通常只用了很少一部分，

那么多级页表就只保存这些使用中的区块，这样就可以大大地减少页表的项数

Linux 用的正是四级页表来管理内存页,如下图所示，虚拟地址被分为 5 个部分，前 4 个表项用于选择页，而最后一个索引表示页内偏移。

12、大页

再看大页，顾名思义，就是比普通页更大的内存块，常见的大小有 2MB 和 1GB。大页通常用在使用大量内存的的进程上，比如 Oracle、DPDK 等

通过这些机制，在页表的映射下，进程就可以通过虚拟地址来访问物理内存了。那么具体到一个 Linux 进程中，这些内存又是怎么使用的呢

二、虚拟内存空间分布

1、虚拟内存空间分布图

通过这张图你可以看到，用户空间内存，从低到高分别是五种不同的的内存段

2、虚拟内存空间分布详解

1、在这五个内存段中，堆和文件映射段的内存是动态分配的，比如说，使用 C 标准库的 malloc() 或者mmap() ，就可以分别在堆和文件映射段动态分配内存

2、其实 64 位系统的内存分布也类似，只不过内存空间要大得多，那么，更重要的问题来了，内存究竟是怎么分配的呢？

三、内存分配与回收

malloc() 是 C 标准库提供的内存分配函数，对应到系统调用上，有两种实现方式，即 brk() 和 mmap()。

1、内存分配

都只在首次访问时才分配，也就是通过缺页异常进入内核中，再由内内核来分配内存。

1、如何减少内存碎片？

整体来说，Linux 使用伙伴系统来管理内存分配。前面我们提到过，这些内存在 MMU 中以页为单位进行管理，伙伴系统也一系统也一样，以页为单位来管理内存，并且会通过相邻页的合并，
减少内存碎片化（比如 brk 方式造成的内存碎片）。

2、比页更小的内存（不到 1K ），该怎么分配内存呢？

实际系统运行中，确实有大量比页还小的对象如果为它们也分配单独的页，那就太浪费内存了。所以，在用户空间，malloc 通过 brk() 分配的内存，在释放时并不立即归还系统，

而是缓存起来重复利用。在内核空间，Linux 则通过 slab 分配器来管理小内存。你可以把slab 看成构建在伙伴系统上的一个缓存，主要作用就是分配并分配并释放内核中的小对象。

2、内存回收

对内存来说，如果只分配而不释放，就会造成内存泄漏，甚至会耗尽系统内存。所以，在应用程序用完内存后，还需要调用free() 或 unmap() ，来释放这些不用的内存。

当然，系统也不会任由某个进程用完所有内存，在发现内存紧张时，系统就会通过一系列机制来回收内存，比如下面下面这三种方式：

第三种方式提到的 OOM（Out of Memory），其实是内核的一种保护机制它监控进程的内存使用情况，并且使用 oom_score 为每个进程的内存使用情况进行评分：

一个进程消耗的内存越大，oom_score 就越大；

一个进程运行占用的 CPU 越多，oom_score 就越小

这样，进程的 oom_score 越大，代表消耗的内存越多，也就越容易被 OOM 杀死，从而可以更好保护系统。

当然，为了实际工作的需要，管理员可以通过 /proc 文件系统，手动设置进程的 oom_adj ，从而调整进程的 oom_score。

oom_adj 的范围是 [-17, 15]，数值越大，表示进程越容易被 OOM 杀死；数值越小，表示进程越不容易被 OOM 杀死，其中 -17 表示禁止 OOM。

比如用下面的命令，你就可以把 sshd 进程的调小为 -16，这样， sshd 进程就不容易被 OOM 杀死

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

四、如何查看内存使用情况

1、free图解

[root@api ~]# free
total used free shared buff/cache available
Mem: 8010968 935180 5968260 16668 1107528 6835728
Swap: 4194300 0 4194300

这里尤其注意一下，最后一列的可用内存 available，available 不仅包含未使用内存，还包括了可回收的缓存，所以一般会比未使用内存更大。

不过，并不是所有缓存都可以回收，所以一般会比未使用内存更大

2、top图解

top - 11:52:35 up 16 days, 55 min, 1 user, load average: 0.00, 0.01, 0.05
Tasks: 101 total, 1 running, 100 sleeping, 0 stopped, 0 zombie
%Cpu(s): 0.1 us, 0.1 sy, 0.0 ni, 99.8 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
KiB Mem : 14.7/8010968 [||||||||||||||| ]
KiB Swap: 0.0/4194300 [ ]

PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
1 root 20 0 41348 3580 2332 S 0.0 0.0 0:36.59 systemd
2 root 20 0 0 0 0 S 0.0 0.0 0:00.00 kthreadd
3 root 20 0 0 0 0 S 0.0 0.0 0:00.00 ksoftirqd/0

VIRT 是进程虚拟内存的大小：只要是进程申请过的内存，即便还没有真正分配物理内存，也会计算在内。

RES 是常驻内存的大小：也就是进程实际使用的物理内存大小，但不包括 Swap 和共享内存。

SHR 是共享内存的大小：比如与其他进程共同使用的共享内存、加载的动态链接库以及程序的代码段等。

%MEM 是进程使用物理内存占系统总内存的百分比。

3、需要注意两点

第一：虚拟内存通常并不会全部分配物理内存。从上面的输出，你可以发现每个进程的虚拟内存都比常驻内存大得多。

第二：共享内存 SHR 并不一定是共享的，比方说，程序的代码、非共享的动态链接库，也都算在 SHR 里。当然，

SHR 也包括了进程间真正共享的内存。所以在计算多个进程的内存使用时，不要把所有进程的 SHR 直接相加得出结果。