「Linux」- 内存管理

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。

内存的分配方式

Buddy Memory Allocation

是最底层的内存管理机制，提供页式的内存管理。

函数调用：alloc_pages()

Slab Allocation

是构建在 Buddy Memory Allocation 上的内存管理，提供基于对象的内存管理。

函数调用：
1）创建对象：kmem_cache_create()
2）分配内存：kmem_cache_alloc()
3）释放内存：kmem_cache_free()

进程如何访问内存

物理内存 与 虚拟内存

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。

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

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。

虚拟内存 =>（虚拟地址）=> 页面表（MMU） => （物理地址）=> 物理内存

对普通进程来说，能看到的其实是内核提供的虚拟内存，这些虚拟内存还需要通过页表，由系统映射为物理内存。

内存管理单元（MMU）

页表实际上存储在处理器的内存管理单元（MMU）中。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 以“页”来管理内存，通常是 4 KB 大小，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（HugePage），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

TLB（Translation Lookaside Buffer，转译后备缓冲器）会影响 CPU 的内存访问性能的原因：
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。

虚拟地址空间：内核空间 与 用户空间

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（也就是单个 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：

32-bit

1）32-bit，内核空间占用 1G，位于最高处，剩下的 3G 是用户空间：
用户空间，3G，0x00000000 – 0xC0000000；
内核空间，1G，0xC0000000 – 0xFFFFFFFF；

64-bit

2）64-bit，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
用户空间，128T，0x0 – 0x00007ffffffff000；
未定义，0x00007ffffffff000 – 0xffff800000000000；
内核空间，128T，0xffff800000000000 – 0xffffffffffffffff；

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。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。

虚拟内存空间分布（32-bit）

以 32-bit 系统为例（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），如下图来表示它们的关系

用户空间，内存从低到高分别是五种不同的内存段：
1）只读段，包括代码和常量等。
2）数据段，包括全局变量等。
3）堆，包括动态分配的内存，从低地址开始向上增长。
4）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。
5）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。

内存分配 与 内存回收

内存分配

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）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。

优劣：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。

2）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。

优劣：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。

这些内存（通过 malloc() 申请）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 Buddy memory allocation 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，Buddy memory allocation 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() 造成的内存碎片）。

缺页异常又分为下面两种场景：
1）次缺页异常：可以直接从物理内存中分配时
2）主缺页异常：需要磁盘 I/O 介入（比如 Swap）时

遇到比页更小的对象，比如不到 1K 的时候，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 Buddy memory allocation 上的一个缓存，主要作用就是分配并释放内核中的小对象。只有在内核空间，内核调用kmalloc去分配内存的时候，才会涉及到 slab 。

内存回收

在程序中，通过代码回收内存：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，需要调用 free() 或 unmap()，来释放不用的内存。

由操作系统进行内存回收：在发现内存紧张时，操作系统就会通过系列机制来回收内存，比如下面这三种方式：

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

比如 Buffer 和 Cache 就属于可回收内存。在内存管理中，它们通常被称为文件页（File-backed Page）。大部分文件页都可以直接回收，以后需要时再从磁盘重新读取。

那些被应用程序修改过，并且暂时还没写入磁盘的数据（脏页），需要先写入磁盘，然后才能进行内存释放。脏页可以通过两种方式写入磁盘：1）在应用程序中通过 fsync 系统调用；2）由内核线程 pdflush 负责这些脏页的刷新。

通过内存映射获取的文件映射页，也是一种常见的文件页。它也可以被释放掉，下次再访问的时候，从文件重新读取。

2）交换分区：回收不常访问的内存，把不常用的内存通过交换分区直接写到磁盘中；

在内存管理中，应用程序动态分配的堆内存，即匿名页（Anonymous Page），也可以回收，把这些不常访问的内存先写到磁盘中，然后释放这些内存，给其他更需要的进程使用。再次访问这些内存时，重新从磁盘读入内存。这正是 Linux 的 Swap 机制，把一块磁盘空间当成内存来用，当进程访问这些内存时，再从磁盘读取这些数据到内存中。

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）OOM（Out of Memory）：在内存紧张时，操作系统还会通过 OOM 机制结束占用大量内存的进程，释放这些内存，再分配给其他更需要的进程；

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：

1）一个进程消耗的内存越大，oom_score 就越大，越容易被 OOM 杀死；（可以通过 /proc 文件系统，手动设置进程的 oom_adj（echo -16 > /proc/$(pidof sshd)/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

2）一个进程运行占用的 CPU 越多，oom_score 就越小；

LRU – Least Recently Used

LRU 回收算法，实际上维护着 active 和 inactive 两个双向链表，其中：active 记录活跃的内存页；inactive 记录非活跃的内存页。越接近链表尾部，就表示内存页越不常访问。这样在回收内存时，系统就可以根据活跃程度，优先回收不活跃的内存。

活跃和非活跃的内存页，按照类型的不同，又分别分为文件页和匿名页，对应着 缓存回收 和 Swap 回收。可以从 /proc/meminfo 中，查询它们的大小： 

# cat /proc/meminfo | grep -i active
Active:         12266848 kB
Inactive:        2437720 kB
Active(anon):   11506584 kB
Inactive(anon):  1863448 kB
Active(file):     760264 kB
Inactive(file):   574272 kB

OOM – Out of Memory

在内存不足时，操作系统会尝试直接内存回收。如果内存还是不足，将出发 OOM 进行回收。

在 dmesg 中，将看到 Out of memory 信息，显示被杀死的进程： 

# cat /proc/meminfo | grep -i active
Active:         12266848 kB
Inactive:        2437720 kB
Active(anon):   11506584 kB
Inactive(anon):  1863448 kB
Active(file):     760264 kB
Inactive(file):   574272 kB

OOM 触发的时机基于虚拟内存。换句话说，进程在申请内存时，如果申请的虚拟内存加上服务器实际已用的内存之和，比总的物理内存还大，就会触发 OOM。

如何查看内存使用情况

总体使用情况：free

# free // 以字节为单位
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:       16108680    13563160      301692      731132     2243828     1478772
Swap:      31457276    16751336    14705940

// 1）total，总内存大小；
// 2）used，已使用内存的大小，包含了共享内存；
// 3）free，未使用内存的大小；
// 4）shared，共享内存的大小；
// 5）buff/cache，缓存和缓冲区的大小；
// 6）available，新进程可用内存的大小；包含未使用内存，还包括了可回收的缓存，会比未使用内存更大。但并不是所有缓存都可以回收，因为有些缓存可能正在使用。

进程使用情况：top、ps

# top
top - 11:35:02 up 28 days, 14:45, 14 users,  load average: 1.60, 1.76, 1.67
Tasks: 469 total,   1 running, 464 sleeping,   0 stopped,   4 zombie
%Cpu0  : 20.8 us,  5.1 sy,  0.0 ni, 73.7 id,  0.3 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
%Cpu1  : 20.8 us,  6.1 sy,  0.0 ni, 72.2 id,  0.3 wa,  0.0 hi,  0.6 si,  0.0 st
%Cpu2  : 23.4 us,  5.2 sy,  0.0 ni, 71.1 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.3 si,  0.0 st
%Cpu3  : 18.6 us,  7.4 sy,  0.0 ni, 74.0 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
MiB Mem :  15731.1 total,    210.4 free,  13512.2 used,   2008.5 buff/cache
MiB Swap:  30720.0 total,  14605.5 free,  16114.5 used.   1157.3 avail Mem

  PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU  %MEM     TIME+ COMMAND
 1607 libvirt+  20   0 6913088   3.9g   3008 S  59.5  25.2  25755:25 /usr/bin/qemu-system
18393 k4nz      20   0 3851580 324704  54840 S   8.0   2.0 729:02.03 /usr/bin/gnome-shell
12996 k4nz      20   0   82.2g 990.7m  67328 S   7.0   6.3 256:58.14 /usr/lib/chromium/ch
14608 k4nz      20   0 4701876  55488  22692 S   3.0   0.3 137:33.08 /opt/google/chrome/c

// 输出界面的顶端，也显示了系统整体的内存使用情况，这些数据跟 free 类似

// VIRT，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， 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， 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，进程使用物理内存占系统总内存的百分比

// 注意事项：
// 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
// 共享内存 SHR 并不一定是共享的，比如程序的代码段、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，不能把这些进程的 SHR 直接相加

计算内存使用情况

使用 /proc/<pid>/smaps 的 PSS 字段可以计算内存用量： 

// 使用grep查找Pss指标后，再用awk计算累加值
# grep Pss /proc/[1-9]*/smaps | awk '{total+=$2}; END {printf "%d kB\n", total}'
391266 kB

关键在于，PSS 是进程的共享内存被平分之后的数值，所以不会出现重复累加的问题。

参考文献

15 | 基础篇：Linux内存是怎么工作的？
22 | 答疑（三）：文件系统与磁盘的区别是什么？

Filed under: K4NZDROID - @ 2:39 PM