Linux性能优化实战学习笔记：第十五讲

1、内存映射

内存管理也是操做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

一、咱们通说的内存指的是物理内存仍是虚拟内存？

咱们一般说的内存容量，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）。只有内核才能够直接访问物理内存。

那么，进程要访问内存时，该怎么办呢？

二、进程是如何访问内存的？

Linux 内核给每一个进程都提供了一个独立的虚拟地址空间，而且这个地址空间是连续的。这样，进程就能够很方便地访问内存，更确切地说是访问虚拟内存

三、虚拟内存的内核空间和用户空间分布图

四、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，才能够访问内核空间内存，虽然每一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，就能够很方便地访问内核空间内存

五、并非全部的虚拟机内存都会分配物理内存

既然每一个进程都有一个这么大的地址空间，那么全部进程的虚拟内存加起来，天然要比实际的物理内存大得多

因此并非全部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，而且分配后的物理内存，是经过内存映射来管理的

六、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，内核为每一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，以下图所示：

页表实际上存储在 CPU 的内存管理单元 MMU 中，这样，正常状况下，处理器就能够直接经过硬件，找出要访问的内存

七、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

八、什么是TLB？TLB的做用是什么

TLB 其实就是 MMU 中页表的高速缓存，因为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，

因此，经过减小进程的上下文切换，减小 TLB 的刷新次数，就能够提升 TLB 缓存的使用率，进而提升 CPU 的内存访问性能。

九、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，一般是 4 KB大小，

这样，每一次内存映射，都须要关联 4 KB 或者 4KB 整数倍的内存空间

十、如何减小页表的项数

页的大小只有 4 KB ，致使的另外一个问题就是，整个页表会变得很是大。比方说，仅 32 位系统就须要 100 多万个页表项（4GB/4KB），才能够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）。

十一、多级页

多级页表就是把内存分红区块来管理，将原来的映射关系改为区块索引和区块内的偏移。因为虚拟内存空间一般只用了不多一部分，

那么多级页表就只保存这些使用中的区块，这样就能够大大地减小页表的项数

Linux 用的正是四级页表来管理内存页,以下图所示，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。

十二、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。大页一般用在使用大量内存的的进程上，好比 Oracle、DPDK 等

经过这些机制，在页表的映射下，进程就能够经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

2、虚拟内存空间分布

一、虚拟内存空间分布图

经过这张图你能够看到，用户空间内存，从低到高分别是五种不一样的的内存段

二、虚拟内存空间分布详解

一、在这五个内存段中，堆和文件映射段的内存是动态分配的，好比说，使用 C 标准库的 malloc() 或者mmap() ，就能够分别在堆和文件映射段动态分配内存

二、其实 64 位系统的内存分布也相似，只不过内存空间要大得多，那么，更重要的问题来了，内存到底是怎么分配的呢？

3、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()。

一、内存分配

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

一、如何减小内存碎片？

总体来讲，Linux 使用伙伴系统来管理内存分配。前面咱们提到过，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同样，以页为单位来管理内存，而且会经过相邻页的合并，
减小内存碎片化（好比 brk 方式形成的内存碎片）。

二、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若是为它们也分配单独的页，那就太浪费内存了。因此，在用户空间，malloc 经过 brk() 分配的内存，在释放时并不当即归还系统，

而是缓存起来重复利用。在内核空间，Linux 则经过 slab 分配器来管理小内存。你能够把slab 当作构建在伙伴系统上的一个缓存，主要做用就是分配并分配并释放内核中的小对象。

二、内存回收

对内存来讲，若是只分配而不释放，就会形成内存泄漏，甚至会耗尽系统内存。因此，在应用程序用完内存后，还须要调用free() 或 unmap() ，来释放这些不用的内存。

固然，系统也不会任由某个进程用完全部内存，在发现内存紧张时，系统就会经过一系列机制来回收内存，好比下面下面这三种方式：

 

第三种方式提到的 OOM（Out of Memory），实际上是内核的一种保护机制它监控进程的内存使用状况，而且使用 oom_score 为每一个进程的内存使用状况进行评分：

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，表明消耗的内存越多，也就越容易被 OOM 杀死，从而能够更好保护系统。

固然，为了实际工做的须要，管理员能够经过 /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。

好比用下面的命令，你就能够把 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

4、如何查看内存使用状况

一、free图解

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

这里尤为注意一下，最后一列的可用内存 available，available 不只包含未使用内存，还包括了可回收的缓存，因此通常会比未使用内存更大。

不过，并非全部缓存均可以回收，因此通常会比未使用内存更大

 二、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，即使尚未真正分配物理内存，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：好比与其余进程共同使用的共享内存、加载的动态连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。

三、须要注意两点

第一：虚拟内存一般并不会所有分配物理内存。从上面的输出，你能够发现每一个进程的虚拟内存都比常驻内存大得多。

第二：共享内存 SHR 并不必定是共享的，比方说，程序的代码、非共享的动态连接库，也都算在 SHR 里。固然，

SHR 也包括了进程间真正共享的内存。因此在计算多个进程的内存使用时，不要把全部进程的 SHR 直接相加得出结果。