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記憶體對映
日常生活常說的記憶體是什麼
- 比方說,我的膝上型電腦記憶體就是 8GB 的
- 這個記憶體其實是實體記憶體
- 實體記憶體也稱為主存,大多數計算機用的主存都是動態隨機訪問記憶體(DRAM)
靈魂拷問
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,怎麼辦?
虛擬地址空間
- 為了解決上面的問題,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
內部
- 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(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
最常見的 32 位和64 位系統的虛擬地址空間
- 32 位系統的核心空間佔用 1G,位於最高處,剩下的 3G 是使用者空間
- 而 64 位系統的核心空間和使用者空間都是 128T,分別佔據整個記憶體空間的最高和最低處,剩下的中間部分是未定義的
程式的使用者態和核心態
- 程式在使用者態時,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
為什麼會有記憶體對映
- 既然每個程式都有一個這麼大的地址空間,那麼所有程式的虛擬記憶體加起來,自然要比實際的實體記憶體大得多
- 所以,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
什麼是記憶體對映
- 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
- 頁表實際上儲存在 CPU 的記憶體管理單元 MMU 中
- 正常情況下,處理器就可以直接通過硬體,找出要訪問的記憶體
- 在頁表的對映下,程式就可以通過虛擬地址來訪問實體記憶體了
靈魂拷問
麼具體到 一個 Linux 程式中,這些記憶體又是怎麼使用的呢?
虛擬記憶體空間分佈
回答上面的問題,需要進一步瞭解虛擬記憶體空間的分佈情況
使用者空間記憶體,其實又被分成了多個不同的段
這是 32 位系統,使用者空間記憶體,從低到高分別是五種不同的記憶體段
- 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
在這五個記憶體段中,堆和檔案對映段的記憶體是動態分配的
比如說,使用 C 標準庫的 malloc() 或者 mmap() ,就可以分別在堆和檔案對映段動態分配記憶體
其實 64 位系統的記憶體分佈也類似,只不過記憶體空間要大得多
靈魂拷問
記憶體究竟是怎麼分配的呢?
記憶體分配與回收
分配
malloc() 是 C 標準庫提供的記憶體分配函式,對應到系統呼叫上,有兩種實現方式,即 brk() 和 mmap()
brk()
- 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
- 優點:快取可以減少缺頁異常的發生,提高記憶體訪問效率
- 缺點:由於這些記憶體沒有歸還系統,在記憶體工作繁忙時,頻繁的記憶體分配和釋放會造成記憶體碎片
mmap()
- 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
- 缺點:分配的記憶體,會在釋放時直接歸還系統,所以每次 mmap 都會發生缺頁異常;在記憶體工作繁忙時,頻繁的記憶體分配會導致大量的缺頁異常,使核心的管理負擔增大, 這也是 malloc 只對大塊記憶體使用 mmap 的原因
總結
- 當這兩種呼叫發生後,其實並沒有真正分配記憶體
- 這些記憶體,都只在首次訪問時才分配,也就是通過缺頁異常進入核心中,再由核心來分配記憶體
Linux 使用夥伴系統來管理記憶體分配
- 這些記憶體在 MMU 中以頁為單位進行管理,夥伴系統也一樣,以頁為單位來管理記憶體,並且會通過相鄰頁的合併,減少記憶體碎片化
- 在使用者空間,malloc 通過 brk() 分配的記憶體,在釋放時並不立即歸還系統,而是快取起來重複利用
- 在核心空間,Linux 則通過 slab 分配器來管理小記憶體
- 你可以把 slab 看成構建在夥伴系統上的一個快取,主要作用就是分配並釋放核心中的小物件
釋放記憶體
- 對記憶體來說,如果只分配而不釋放,就會造成記憶體洩露,甚至會耗盡系統記憶體
- 所以,在應用程式用完記憶體後,還需要呼叫 free() 或 unmap() ,來釋放這些不用的記憶體
回收
系統不會任由某個程式用完所有記憶體,在發現記憶體緊張時,系統就會通過一系列機制來回收記憶體
- 回收快取:比如使用 LRU(Least Recently Used)演算法,回收最近使用最少的記憶體頁面
- 回收不常訪問的記憶體:把不常用的記憶體通過交換分割槽直接寫到磁碟中
- 殺死程式:記憶體緊張時系統還會通過 OOM(Out of Memory),直接殺掉佔用大量記憶體的程式
回收不常訪問的記憶體
- 會用到交換分割槽(以下簡稱 Swap)
- 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)
- 通常只在記憶體不足時, 才會發生 Swap 交換
- 優點:Swap 把系統的可用記憶體變大了
- 缺點:由於磁碟讀寫的速度遠比記憶體慢,所以 Swap 會導致嚴重的記憶體效能問題
OOM
是核心的一種保護機制
它監控程式的記憶體使用情況,並且使用 oom_score 為每個程式的記憶體使用情況進行評分:
- 一個程式消耗的記憶體越大,oom_score 就越大,越容易被 OOM 殺死,從而保護系統
- 一個程式執行佔用的 CPU 越多,oom_score 就越小
可以通過 /proc 檔案系統,手動設定程式的 oom_adj ,從而調整程式的 oom_score
oom_adj 的範圍是 [-17, 15] ,數值越大,表示程式越容易被 OOM 殺死;數值越小,表示程式越不容易被 OOM 殺死,其中 -17 表示禁止 OOM
調整 oom_score 的栗子
把 sshd 程式的 oom_adj 調小為 -16,這樣, sshd 程式就 不容易被 OOM 殺死
echo -16 > /proc/$(pidof sshd)/oom_adj
如何檢視記憶體使用情況
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顯示的是整個系統的記憶體使用情況
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可以檢視系統記憶體使用情況,也可以看程式的,具體可以看下面的部落格哦
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