Linux内存管理机制

在Linux中经常发现空闲内存很少,似乎所有的内存都被系统占用了,表面感觉是内存不够用了,其实不然。这是Linux内存管理的一个优秀特性,主要特点是,无论物
理内存有多大,Linux 都将其充份利用,将一些程序调用过的硬盘数据读入内存(buffer/cache),利用内存读写的高速特性来提高Linux系统的数据访
问性能。在这方面,区别于Windows的内存管理。本文从Linux的内存管理机制入手,简单介绍linux如何使用内存、监控内存,linux与windows内
存管理上的区别简介,linux内存使用的一大特点(buffer/cache的异同)。

一、Linux内存管理机制

物理内存和虚拟内存

我们知道,直接从物理内存读写数据要比从硬盘读写数据要快的多,因此,我们希望所有数据的读取和写入都在内存完成,而内存是有限的,这样就引出了物理内存与虚拟内存的
概念。

物理内存就是系统硬件提供的内存大小,是真正的内存,相对于物理内存,在linux下还有一个虚拟内存的概念,虚拟内存就是为了满足物理内存的不足而提出的策略,它是
利用磁盘空间虚拟出的一块逻辑内存,用作虚拟内存的磁盘空间被称为交换空间(Swap Space)。

作为物理内存的扩展,linux会在物理内存不足(注意这一条件,这一条件的量化分析请参考
https://www.douban.com/note/349467816/
)时,使用交换分区的虚拟内存,更详细的说,就是内核会将暂时不用的内存块信
息写到交换空间,这样以来,物理内存得到了释放,这块内存就可以用于其它目的,当需要用到原始的内容时,这些信息会被重新从交换空间读入物理内存。

Linux的内存管理采取的是分页存取机制(详细可参考 http://www.linuxeye.com/Linux/1931.html ),为了保证物
理内存能得到充分的利用,内核会在适当的时候将物理内存中不经常使用的数据块自动交换到虚拟内存中,而将经常使用的信息保留到物理内存。

要深入了解linux内存运行机制,需要知道下面提到的几个方面:Linux系统会根据系统配置不时地进行页面交换操作,以保持一定量的空闲物理内存,有些配置下即使
并没有什么事情需要内存,Linux也会交换出暂时不用的内存页面。这可以避免等待交换所需的时间。相关的配置有/etc/sysctl.conf中的vm.swap
piness配置(配制方法请参考 http://www.vcaptain.com/?id=17 ),该参数的作用简单描述就是“当 swappiness 内容的值为 0
时,表示最大限度地使用物理内存,物理内存使用完毕后,才会使用 swap 分区;当 swappiness 内容的值为 100 时,表示积极地使用 swap
分区,并且把内存中的数据及时地置换到 swap 分区。Linux 系统初始安装完成时,其默认值为 60, 这表示空闲物理内存少于 60%
时开始启用内存置换算法,将内存中不常使用的数据置换到 swap 分区。”(具体如何起作用请参考
https://www.douban.com/note/349467816/

Linux 进行页面交换是有条件的,不是所有页面在不用时都交换到虚拟内存,linux内核根据”最近最经常使用“算法,仅仅将一些不经常使用的页面文件交换到虚拟
内存,有时我们会看到这么一个现象:linux物理内存还有很多,但是交换空间也使用了很多。其实,这并不奇怪,例如:一个占用很大内存的进程运行时,需
要耗费很多内存资源,此时就会有一些不常用页面文件被交换到虚拟内存中,但后来这个占用很多内存资源的进程结束并释放了很多内存时,刚才被交换出去的页面
文件并不会自动的交换进物理内存,除非有这个必要,那么此刻系统物理内存就会空闲很多,同时交换空间也在被使用,就出现了刚才所说的现象了。关于这点,不
用担心什么,只要知道是怎么一回事就可以了。
交换空间的页面在使用时会首先被交换到物理内存,如果此时没有足够的物理内存来容纳这些页
面,它们又会被马上交换出去,如此以来,虚拟内存中可能没有足够空间来存储这些交换页面,最终会导致linux出现假死机、服务异常等问题,linux虽
然可以在一段时间内自行恢复,但是恢复后的系统已经基本不可用了。

分配太多的Swap空间会浪费磁盘空间,而Swap空间太少,则系统会发生错误。
如果系统的物理内存用光了,系统就会跑得很慢,但仍能运行;如果Swap空间用光了,那么系统就会发生错误。例如,Web服务器能根据不同的请求数量衍生
出多个服务进程(或线程),如果Swap空间用完,则服务进程无法启动,通常会出现“application is out of
memory”的错误,严重时会造成服务进程的死锁。因此Swap空间的分配是很重要的。

因此,合理规划和设计Linux内存的使用,是非常重要的。

二、linux和windows内存管理的区别

Linux 优先使用物理内存,当物理内存还有空闲时,linux是不会释放内存的,即时占用内存的程序已经被关闭了(这部分内存就用来做缓存了)。也就是说,即时你
有很大的内存,用过一段时间后,也会被占满。这样做的好处是,启动那些刚开启过的程序、或是读取刚存取过得数据会比较快,对于服务器很有好处。
windows则总是给内存留下一定的空闲空间,即时内存有空闲也会让程序使用一些虚拟内存,这样做的好处是,启动新的程序比较快,直接分给它些空闲
内存就可以了,而linux下呢?由于内存经常处于全部被使用的状态,则要先清理出一块内存,再分配给新的程序使用,因此,新程序的启动会慢一些。

三、buffers与cached

异同点

在Linux
操作系统中,当应用程序需要读取文件中的数据时,操作系统先分配一些内存,将数据从磁盘读入到这些内存中,然后再将数据分发给应用程序;当需要往文件中写
数据时,操作系统先分配内存接收用户数据,然后再将数据从内存写到磁盘上。然而,如果有大量数据需要从磁盘读取到内存或者由内存写入磁盘时,系统的读写性
能就变得非常低下,因为无论是从磁盘读数据,还是写数据到磁盘,都是一个很消耗时间和资源的过程,在这种情况下,Linux引入了buffers和
cached机制。

buffers与cached都是内存操作,用来保存系统曾经打开过的文件以及文件属性信息,这样当操作系统需要读取某些文件时,会首先在buffers
与cached内存区查找,如果找到,直接读出传送给应用程序,如果没有找到需要数据,才从磁盘读取,这就是操作系统的缓存机制,通过缓存,大大提高了操
作系统的性能。但buffers与cached缓冲的内容却是不同的。

buffers是用来缓冲块设备做的,它只记录文件系统的元数据(metadata)以及 tracking in-flight pages,而cached是用来
给文件做缓冲。更通俗一点说:buffers主要用来存放目录里面有什么内容,文件的属性以及权限等等。而cached直接用来记忆我们打开过的文件和程序。

内存释放

linux系统中/proc是一个虚拟文件系统,我们可以通过对它的读写操作做为与kernel实体间进行通信的一种手段。也就是说可以通过修改/proc中的文件,
来对当前kernel的行为做出调整。那么我们可以通过调整/proc/sys/vm/drop_caches来释放内存。

四、Linux 进程在内存数据结构

可以看到一个可执行程序在存储(没有调入内存)时分为代码段,数据段,未初始化数据段三部分:

  • 代码段:存放CPU执行的机器指令。通常代码区是共享的,即其它执行程序可调用它。假如机器中有数个进程运行相同的一个程序,那么它们就可以使用同一个代码段。

  • 数据段:存放已初始化的全局变量,静态变量(包括全局和局部的),常量。static全局变量和static函数只能在当前文件中被调用。

  • 未初始化数据区(uninitializeddata segment,BSS):存放全局未初始化的变量。BSS的数据在程序开始执行之前被初始化为0或NULL。
    代码区所在的地址空间最低,往上依次是数据区和BSS区,并且数据区和BSS区在内存中是紧挨着的。。
    可执行程序在运行时又多出了两个区域:栈段(Stack)和堆段(Heap)。

  • 栈区:由编译器自动释放,存放函数的参数值,局部变量等。每当一个函数被调用时,该函数的返回类型和一些调用的信息被存储到栈中。然后这个被调用的函数再为它的自动变量和临时变量在栈上分配空间。每调用一个函数一个新的栈就会被使用。栈区是从高地址位向低地址位增长的,是一块连续的内在区域,最大容量是由系统预先定义好的,申请的栈空间超过这个界限时会提示溢出,用户能从栈中获取的空间较小。

  • 堆段:用于存放进程运行中被动态分配的内存段,位于BSS和栈中间的地址位。由程序员申请分配(malloc)和释放(free)。堆是从低地址位向高地址位增长,采用链式存储结构。频繁地malloc/free造成内存空间的不连续,产生碎片。当申请堆空间时库函数按照一定的算法搜索可用的足够大的空间。因此堆的效率比栈要低的多。

这个5中内存区域中数据段、BSS和堆通常是被连续存储的——内存位置上是连续的,而代码段和栈往往会被独立存放。有趣的是堆和栈两个区域关系很“暧昧”,他们一个向
下“长”(i386体系结构中栈向下、堆向上),一个向上“长”,相对而生。但你不必担心他们会碰头,因为他们之间间隔很大(到底大到多少,你可以从下面的例子程序计
算一下),绝少有机会能碰到一起。

下图简要描述了进程内存区域的分布:
这里写图片描述

五、总结

Linux操作系统的内存运行原理,很大程度上是根据服务器的需求来设计的,例如系统的缓冲机制会把经常使用到的文件和数据缓存在cached
中,linux总是在力求缓存更多的数据和信息,这样再次需要这些数据时可以直接从内存中取,而不需要有一个漫长的磁盘操作,这种设计思路提高了系统的整 体性能。

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