Linux 效能優化之 記憶體 篇

名詞解釋

1. 記憶體主要用來儲存系統和應用程式的指令、資料、快取等。

2. Swap 其實就是把一塊磁碟空間當成記憶體來用。它可以把程式暫時不用的資料儲存到磁碟中（這個過程稱為換出），當程式訪問這些記憶體時，再從磁碟讀取這些資料到記憶體中（這個過程稱為換入）

3. linux的記憶體跟windows的很不一樣。類linux的系統會盡量使用記憶體快取東西，提供執行效率。所以linux/mac顯示的free剩餘記憶體通常很小，但實際上被快取的cache可能很大，並不代表系統記憶體緊張

4. 記憶體對映：

   • 並不是所有的虛擬記憶體都會分配實體記憶體，只有那些實際使用的虛擬記憶體才分配實體記憶體，並且分配後的實體記憶體，是通過記憶體對映來管理的。
   • 記憶體對映，其實就是將虛擬記憶體地址對映到實體記憶體地址。為了完成記憶體對映，核心為每個程式都維護了一張頁表，記錄虛擬地址與實體地址的對映關係，如下圖所示：
     

5. 虛擬記憶體空間分佈情況

   • 首先，我們需要進一步瞭解虛擬記憶體空間的分佈情況。最上方的核心空間不用多講，下方的使用者空間記憶體，其實又被分成了多個不同的段。以 32 位系統為例，我畫了一張圖來表示它們的關係。
     
   • 只讀段，包括程式碼和常量等
   • 資料段，包括全域性變數等。
   • 堆，包括動態分配的記憶體，從低地址開始向上增長。
   • 檔案對映段，包括動態庫、共享記憶體等，從高地址開始向下增長。
   • 棧，包括區域性變數和函式呼叫的上下文等。棧的大小是固定的，一般是 8 MB。

6. 記憶體分配與回收

   • 對小塊記憶體（小於 128K），C 標準庫使用 brk() 來分配，也就是通過移動堆頂的位置來分配記憶體。這些記憶體釋放後並不會立刻歸還系統，而是被快取起來，這樣就可以重複使用。
   • 而大塊記憶體（大於 128K），則直接使用記憶體對映 mmap() 來分配，也就是在檔案對映段找一塊空閒記憶體分配出去。

7. 當程式通過 malloc() 申請虛擬記憶體後，系統並不會立即為其分配實體記憶體，而是在首次訪問時，才通過缺頁異常陷入核心中分配記憶體。

8. 不僅要會用標準庫函式 malloc() 來動態分配記憶體，還要記得在用完記憶體後，呼叫庫函式 _free() 來 _ 釋放它們。

9. 記憶體資源緊張導致的 OOM（Out Of Memory），相對容易理解，指的是系統殺死佔用大量記憶體的程式，釋放這些記憶體，再分配給其他更需要的程式。

10. 在記憶體資源緊張時，Linux 會通過 Swap ，把不常訪問的匿名頁換出到磁碟中，下次訪問的時候再從磁碟換入到記憶體中來。你可以設定 /proc/sys/vm/min_free_kbytes，來調整系統定期回收記憶體的閾值；也可以設定 /proc/sys/vm/swappiness，來調整檔案頁和匿名頁的回收傾向。

11. 禁止 Swap，現在伺服器的記憶體足夠大，所以除非有必要，禁用 Swap 就可以了。隨著雲端計算的普及，大部分雲平臺中的虛擬機器都預設禁止 Swap

答疑

1. 只有核心才可以直接訪問實體記憶體。那麼，程式要訪問記憶體時，該怎麼辦呢？

• Linux 核心給每個程式都提供了一個獨立的虛擬地址空間，並且這個地址空間是連續的。這樣，程式就可以很方便地訪問記憶體，更確切地說是訪問虛擬記憶體。

• 虛擬地址空間的內部又被分為核心空間和使用者空間兩部分，不同字長（也就是單個 CPU 指令可以處理資料的最大長度）的處理器，地址空間的範圍也不同。比如最常見的 32 位和 64 位系統，我畫了兩張圖來分別表示它們的虛擬地址空間，如下所示：
  

• 程在使用者態時，只能訪問使用者空間記憶體；只有進入核心態後，才可以訪問核心空間記憶體。雖然每個程式的地址空間都包含了核心空間，但這些核心空間，其實關聯的都是相同的實體記憶體。這樣，程式切換到核心態後，就可以很方便地訪問核心空間記憶體

2. top 輸出介面中，跟記憶體相關的幾列資料？

• VIRT 是程式虛擬記憶體的大小，只要是程式申請過的記憶體，即便還沒有真正分配實體記憶體，也會計算在內。
• RES 是常駐記憶體的大小，也就是程式實際使用的實體記憶體大小，但不包括 Swap 和共享記憶體。
• SHR 是共享記憶體的大小，比如與其他程式共同使用的共享記憶體、載入的動態連結庫以及程式的程式碼段等。
• %MEM 是程式使用實體記憶體佔系統總記憶體的百分比。

  注意：

• 第一，虛擬記憶體通常並不會全部分配實體記憶體。從上面的輸出，你可以發現每個程式的虛擬記憶體都比常駐記憶體大得多。
• 第二，共享記憶體 SHR 並不一定是共享的，比方說，程式的程式碼段、非共享的動態連結庫，也都算在 SHR 裡。當然，SHR 也包括了程式間真正共享的記憶體。所以在計算多個程式的記憶體使用時，不要把所有程式的 SHR 直接相加得出結果

3. buffer 和cache

   Buffer 是對磁碟資料的快取，而 Cache 是檔案資料的快取，它們既會用在讀請求中，也會用在寫請求中

   • Buffers 是對原始磁碟塊的臨時儲存，也就是用來快取磁碟的資料，通常不會特別大（20MB 左右）。這樣，核心就可以把分散的寫集中起來，統一優化磁碟的寫入，比如可以把多次小的寫合併成單次大的寫等等。
   • Cached 是從磁碟讀取檔案的頁快取，也就是用來快取從檔案讀取的資料。這樣，下次訪問這些檔案資料時，就可以直接從記憶體中快速獲取，而不需要再次訪問緩慢的磁碟。

4. 關於磁碟和檔案的區別?
   • 磁碟是一個塊裝置，可以劃分為不同的分割槽；在分割槽之上再建立檔案系統，掛載到某個目錄，之後才可以在這個目錄中讀寫檔案。
   • 其實 Linux 中“一切皆檔案”，而文章中提到的“檔案”是普通檔案，磁碟是塊裝置檔案，這些大家可以執行 “ls -l <路徑>” 檢視它們的區別
   • 在讀寫普通檔案時，會經過檔案系統，由檔案系統負責與磁碟互動；而讀寫磁碟或者分割槽時，就會跳過檔案系統，也就是所謂的“裸I/O“。這兩種讀寫方式所使用的快取是不同的，也就是文中所講的 Cache 和 Buffer 區別。

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