[转帖]《Linux性能优化实战》笔记（八）—

一、内存映射

我们通常所说的内存容量，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？

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。

虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间两部分，不同字长（单个 CPU 指令可以处理数据的最大长度）的处理器，地址空间的范围也不同。比如最常见的 32 位和64 位系统，我画了两张图来分别表示它们的虚拟地址空间，如下所示：

可以看出，32 位系统的内核空间占用 1G，位于最高处，剩下的 3G 是用户空间；而 64 位系统的内核空间和用户空间都是 128T，分别占据整个内存空间的最高和最低处，剩下的中间部分是未定义的。

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，并不是所有的虚拟内存都会分配物理内存，只有那些实际使用的虚拟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。

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。
而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，恢复进程的运行。

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。

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）。

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。

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

最上方的内核空间不用多讲，下方的用户空间内存，其实又被分成了多个不同的段。以 32 位系统为例，我画了一张图来表示它们的关系。

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内存段

只读段，包括代码和常量等。
数据段，包括全局变量等。
堆，包括动态分配的内存，从低地址开始向上增长。
文件映射段，包括动态库、共享内存等，从高地址开始向下增长。
栈，包括局部变量和函数调用的上下文等。栈的大小是固定的，一般是 8 MB

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。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. brk()

对小块内存（小于 128K），C 标准库使用 brk() 通过移动堆顶的位置（对应上图第三层）来分配内存。这些内存释放后并不会立刻归还系统，而是被缓存起来，这样就可以重复使用。

优点：可以减少缺页异常的发生，提高内存访问效率
缺点：在内存工作繁忙时，频繁的内存分配和释放会造成内存碎片

2. 内存映射 mmap()

对于大块内存（大于 128K），直接使用内存映射 mmap() 来分配，也就是在文件映射段（对应上图第四层）找一块空闲内存分配出去。

优点：分配的内存会在释放时直接归还系统，所以每次 mmap 都会发生缺页异常，使内核的管理负担增大
缺点：不容易有内存碎片问题

当这两种调用发生后，其实并没有真正分配内存。内存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
由内核来分配内存。Linux 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。

3. 内存回收

在应用程序用完内存后，还需要调用 free() 或 unmap() ，来释放不用的内存。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：

回收缓存，比如使用 LRU算法，回收最近使用最少的内存页
回收不常访问的内存，把不常用的内存通过swap直接写到磁盘中
杀死进程，内存紧张时系统还会通过 OOM，直接杀掉占用大量内存的进程。

Swap 其实就是把一块磁盘空间当成内存来用。它可以把进程暂时不用的数据存储到磁盘中（换出），当进程访问这些内存时，再从磁盘读取这些数据到内存中（换入）。不过通常只在内存不足时才会发生 Swap 交换，并且由于磁盘读写的速度远比内存慢，Swap 会导致严重的内存性能问题。

OOM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评分：

一个进程消耗的内存越大，oom_score 就越大，越容易被 OOM 杀死
一个进程运行占用的 CPU 越多，oom_score 就越小。

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，进程越容易被 OOM 杀死，其中 -17 表示禁止 OOM。

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

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

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