哈嘍大家好，我是鹹魚
在《Linux 記憶體管理 pt.2》中我們學習了多級頁表和大頁，我們知道了由於歷史遺留的問題，Linux 的頁通常為 4KB
這樣就會導致一個頁表裡面會有特別多頁，為了解決這個問題，Linux 提供了兩種解決方案——多級頁表和大頁
那麼今天繼續我們的 Linux 記憶體管理學習，我們今天要學習的是——記憶體的分配和回收
在 Linux 中，記憶體是如何被分配和回收的呢？
記憶體分配
在 Linux 中，記憶體的分配通常由 C 標準庫提供的記憶體分配函式 malloc() 實現
當malloc() 函式需要分配記憶體時，它會呼叫這兩個系統呼叫——即 brk() 和 mmap()
- brk()
對於小塊記憶體（小於 128K大於 4K），使用 brk() 來分配，透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
優缺點：
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減少缺頁異常的發生，提高記憶體訪問效率
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由於不會立刻歸還釋放的記憶體給系統，所以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()
對於大塊記憶體（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，釋放時直接歸還系統
優缺點：
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在釋放時直接歸還系統，所以每次 mmap 都會發生缺頁異常
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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
需要注意的是，一開始呼叫記憶體分配函式的時候，其實是沒有真正分配到實體記憶體
只有在程式首次訪問時才分配，即透過缺頁異常進入核心中，再由核心來分配記憶體
Linux 夥伴系統（buddy）
在 Linux 中，光知道如何分配記憶體還不行，還得知道該怎麼分配
夥伴管理器是 Linux 系統中一種常見的記憶體分配演算法，它可以讓系統在分配實體記憶體時，快速地找到相應大小的可用記憶體塊
前面說到，MMU 是一種硬體裝置，負責虛擬記憶體和實體記憶體的對映關係。當核心需要訪問某個虛擬記憶體時，MMU 將該虛擬地址轉換為對應的實體記憶體地址，並透過夥伴系統的分配演算法來定位相應的記憶體塊
當記憶體釋放時，夥伴系統將其標記為空閒，用於重新分配給其他程式。因此，夥伴系統和 MMU 相互協作，實現 Linux 作業系統的記憶體管理功能
上面說到，對於4K 至 128K 的記憶體用 brk() 來分配，對於大於 128k 的記憶體使用記憶體對映 mmap() 來分配。那如果要分配的記憶體小於 4K 呢?
實際系統執行的時候，有著許多記憶體小於 4K 的物件，如果為他們分配單獨的頁，那就太浪費記憶體了
所以 Linux 透過下面兩種方式來分配小於 4K 的記憶體：
1、夥伴系統
當需要分配小於4K的記憶體時，核心會為之保留一個完整的物理頁，並儘量將物理頁分割成大小相同的小塊。當有多個小塊被請求時，核心會合並這些小塊，最終分配
2、slab分配器
slab 分配器是 Linux 核心中的一個重要組成（你可以將slab 看成構建在夥伴系統上的一個快取）它將一小塊記憶體分配稱為快取（cache）
當需要分配小於 4K 的記憶體時，Slab 分配器會建立一個小的快取來儲存請求記憶體的塊。每個快取都有一個物理頁的大小
如果已經分配完了所有記憶體塊，Slab 分配器會重新分配一個完整的物理頁作為快取，以供後續請求使用
為了防止記憶體碎片化，slab 分配器會保留已經使用完的 slab 塊並重復使用其中未被使用的空間，而不是將其釋放回系統
記憶體回收
如果記憶體只分配而不釋放，就會造成記憶體洩漏，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
那麼系統是如何回收記憶體的呢？
1、使用 LRU（Least Recently Used）演算法，回收最近使用最少的記憶體頁面
2、回收不常訪問的記憶體，把不常用的記憶體透過交換分割槽（swap）直接寫到磁碟中
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。並且由於磁碟讀寫的速度遠比記憶體慢，Swap 會導致嚴重的記憶體效能問題
3、殺死程式，記憶體緊張時系統還會透過 OOM（Out of Memory），直接殺掉佔用大量記憶體的程式
OOM（Out of Memory），其實是核心的一種保護機制，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；
一個程式執行佔用的 CPU 越多，oom_score 就越小
程式的 oom_score 越大，代表消耗的記憶體越多，也就越容易被 OOM 殺死
感謝閱讀，喜歡作者就動動小手[一鍵三連]，這是我寫作最大的動力