Linux性能优化从入门到实战：08 内存篇：内存基础

内存主要用来存储系统和应用程序的指令、数据、缓存等。

内存映射

物理内存也称为主存，动态随机访问内存（DRAM）。只有内核才可以直接访问物理内存。

  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。

  

  进程在用户态时，只能访问用户空间内存；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，其实关联的都是相同的物理内存，也就是共享动态链接库、共享内存等。当进程切换到内核态后，就可以很方便地访问内核空间内存。

  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。

  

  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。

  

  CPU 上下文切换中的TLB（Translation Lookaside Buffer，转译后备缓冲器）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。

  MMU 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。

  4 KB大小的页，会导致整个页表会变得非常大，比如32位系统4GB/4KB=100多万个页表项。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 用四级页表来管理内存页，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，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。

虚拟内存空间分布

用户空间内存被分成五个不同的段。在这五个内存段中，堆和文件映射段的内存是动态分配的。如 C 标准库的 malloc() 或者 mmap() 分别在堆和文件映射段动态分配内存。64 位系统的内存分布也类似，只不过内存空间要大得多。

  

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()。

  对小块内存（小于 128K），C 标准库使用 brk() 来分配，也就是通过移动堆顶的位置来分配内存。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。

  对大块内存（大于 128K），则直接使用内存映射 mmap() 来分配，也就是在文件映射段找一块空闲内存分配出去。

  这两种方式的优缺点：

  brk() 方式的缓存，可以减少缺页异常的发生，提高内存访问效率。不过，由于这些内存没有归还系统，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。

  mmap() 方式分配的内存，会在释放时直接归还系统，所以每次 mmap 都会发生缺页异常。在内存工作繁忙时，频繁的内存分配会导致大量的缺页异常，使内核的管理负担增大。这也是 malloc 只对大块内存使用 mmap 的原因。

  需要注意的是：当这两种调用发生后，其实并没有真正分配内存。这些内存，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。

  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）。

  但在实际系统运行中，会有大量比页还小的对象，如不到1K，如果为它们也分配单独的页，会浪费大量的内存，那该怎么分配内存呢？

  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释放内核中的小对象。

  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，比如下面这三种方式：

  （1）回收缓存，比如使用 LRU（Least Recently Used）算法，回收最近使用最少的内存页面。

  （2）回收不常访问的内存，把不常用的内存通过交换分区（Swap）直接写到磁盘中。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（这个过程称为换出），当进程访问这些内存时，再从磁盘读取这些数据到内存中（这个过程称为换入）。Swap 把系统的可用内存变大了，但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。

  （3）杀死进程，内存紧张时系统还会通过 OOM（Out of Memory，内核的一种保护机制），直接杀掉占用大量内存的进程.。OOM 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。如用下面的命令，你就可以把 sshd 进程的 oom_adj 调小为 -16，这样， sshd 进程就不容易被 OOM 杀死。

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

如何查看内存使用情况

free 显示的是整个系统的内存使用情况

$ free
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:        8169348      263524     6875352         668     1030472     7611064
Swap:             0           0           0

默认单位是字节，行内容是物理内存 Mem 和交换分区 Swap，列分别为：

  第一列，total 是总内存大小；

  第二列，used 是已使用内存的大小，包含了共享内存；

  第三列，free 是未使用内存的大小；

  第四列，shared 是共享内存的大小

  第五列，buff/cache 是缓存和缓冲区的大小；

  最后一列，available 是新进程可用内存的大小。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，因为有些缓存可能正在使用中。

 top / ps 查看进程内存使用情况：

# 按下 M 切换到内存排序
$ top
...
KiB Mem :  8169348 total,  6871440 free,   267096 used,  1030812 buff/cache
KiB Swap:        0 total,        0 free,        0 used.  7607492 avail Mem

  PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND
  430 root      19  -1  122360  35588  23748 S   0.0  0.4   0:32.17 systemd-journal
 1075 root      20   0  771860  22744  11368 S   0.0  0.3   0:38.89 snapd
 1048 root      20   0  170904  17292   9488 S   0.0  0.2   0:00.24 networkd-dispat
    1 root      20   0   78020   9156   6644 S   0.0  0.1   0:22.92 systemd
12376 azure     20   0   76632   7456   6420 S   0.0  0.1   0:00.01 systemd
12374 root      20   0  107984   7312   6304 S   0.0  0.1   0:00.00 sshd
...

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。

  注意点：

  （1）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。

  （2）共享内存 SHR 并不一定是共享的，比方说，程序的代码段、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。