性能测试必备知识（10）- Linux 是怎么管理内存的？

做性能测试的必备知识系列，可以看下面链接的文章哦

https://www.cnblogs.com/poloyy/category/1806772.html

内存映射

日常生活常说的内存是什么

比方说，我的笔记本电脑内存就是 8GB 的
这个内存其实是物理内存
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）

灵魂拷问

只有内核才可以直接访问物理内存，那么进程要访问内存时，怎么办？

虚拟地址空间

为了解决上面的问题，Linux 内核给每个进程都提供了一个独立的虚拟地址空间，并且这个地址空间是连续的
这样，进程就可以很方便地访问内存，更确切地说是访问虚拟内存

内部

虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间两部分
不同字长（单个 CPU 指令可以处理数据的最大长度）的处理器，地址空间的范围也不同

最常见的 32 位和64 位系统的虚拟地址空间

32 位系统的内核空间占用 1G，位于最高处，剩下的 3G 是用户空间
而 64 位系统的内核空间和用户空间都是 128T，分别占据整个内存空间的最高和最低处，剩下的中间部分是未定义的

进程的用户态和内核态

进程在用户态时，只能访问用户空间内存
只有进入内核态后，才可以访问内核空间内存
虽然每个进程的地址空间都包含了内核空间，但这些内核空间，其实关联的都是相同的物理内存
这样，进程切换到内核态后，就可以很方便地访问内核空间内存

为什么会有内存映射

既然每个进程都有一个这么大的地址空间，那么所有进程的虚拟内存加起来，自然要比实际的物理内存大得多
所以，并不是所有的虚拟内存都会分配物理内存，只有那些实际使用的虚拟内存才分配物理内存
并且分配后的物理内存，是通过内存映射来管理的

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

页表实际上存储在 CPU 的内存管理单元 MMU 中
正常情况下，处理器就可以直接通过硬件，找出要访问的内存
在页表的映射下，进程就可以通过虚拟地址来访问物理内存了

灵魂拷问

么具体到一个 Linux 进程中，这些内存又是怎么使用的呢？

虚拟内存空间分布

回答上面的问题，需要进一步了解虚拟内存空间的分布情况

用户空间内存，其实又被分成了多个不同的段

这是 32 位系统，用户空间内存，从低到高分别是五种不同的内存段

只读段：包括代码和常量等
数据段：包括全局变量等
堆：包括动态分配的内存，从低地址开始向上增长
文件映射段：包括动态库、共享内存等，从高地址开始向下增长
栈：包括局部变量和函数调用的上下文等。栈的大小是固定的，一般是 8 MB

在这五个内存段中，堆和文件映射段的内存是动态分配的

比如说，使用 C 标准库的 malloc() 或者 mmap() ，就可以分别在堆和文件映射段动态分配内存

其实 64 位系统的内存分布也类似，只不过内存空间要大得多

灵魂拷问

内存究竟是怎么分配的呢？

内存分配与回收

分配

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()

brk()

对小块内存（小于 128K），C 标准库使用 brk() 来分配
也就是通过移动堆顶的位置来分配内存
这些内存释放后并不会立刻归还系统，而是被缓存起来，这样就可以重复使用
优点：缓存可以减少缺页异常的发生，提高内存访问效率
缺点：由于这些内存没有归还系统，在内存工作繁忙时，频繁的内存分配和释放会造成内存碎片

mmap()

大块内存（大于 128K），则直接使用内存映射 mmap() 来分配，也就是在文件映射段找一块空闲内存分配出去
缺点：分配的内存，会在释放时直接归还系统，所以每次 mmap 都会发生缺页异常；在内存工作繁忙时，频繁的内存分配会导致大量的缺页异常，使内核的管理负担增大， 这也是 malloc 只对大块内存使用 mmap 的原因

总结

当这两种调用发生后，其实并没有真正分配内存
这些内存，都只在首次访问时才分配，也就是通过缺页异常进入内核中，再由内核来分配内存

Linux 使用伙伴系统来管理内存分配

这些内存在 MMU 中以页为单位进行管理，伙伴系统也一样，以页为单位来管理内存，并且会通过相邻页的合并，减少内存碎片化
在用户空间，malloc 通过 brk() 分配的内存，在释放时并不立即归还系统，而是缓存起来重复利用
在内核空间，Linux 则通过 slab 分配器来管理小内存
你可以把 slab 看成构建在伙伴系统上的一个缓存，主要作用就是分配并释放内核中的小对象

释放内存

对内存来说，如果只分配而不释放，就会造成内存泄露，甚至会耗尽系统内存
所以，在应用程序用完内存后，还需要调用 free() 或 unmap() ，来释放这些不用的内存

回收

系统不会任由某个进程用完所有内存，在发现内存紧张时，系统就会通过一系列机制来回收内存

回收缓存：比如使用 LRU（Least Recently Used）算法，回收最近使用最少的内存页面
回收不常访问的内存：把不常用的内存通过交换分区直接写到磁盘中
杀死进程：内存紧张时系统还会通过 OOM（Out of Memory），直接杀掉占用大量内存的进程

回收不常访问的内存

会用到交换分区（以下简称 Swap）
Swap 其实就是把一块磁盘空间当成内存来用
它可以把进程暂时不用的数据存储到磁盘中（这个过程称为换出），当进程访问这些内存时，再从磁盘读取这些数据到内存中（这个过程称为换入）
通常只在内存不足时，才会发生 Swap 交换
优点：Swap 把系统的可用内存变大了
缺点：由于磁盘读写的速度远比内存慢，所以 Swap 会导致严重的内存性能问题

OOM

是内核的一种保护机制

它监控进程的内存使用情况，并且使用 oom_score 为每个进程的内存使用情况进行评分：

一个进程消耗的内存越大，oom_score 就越大，越容易被 OOM 杀死，从而保护系统
一个进程运行占用的 CPU 越多，oom_score 就越小

可以通过 /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 [-, ] ，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

调整 oom_score 的栗子

把 sshd 进程的 oom_adj 调小为 -16，这样， sshd 进程就不容易被 OOM 杀死

echo - > /proc/$(pidof sshd)/oom_adj

如何查看内存使用情况

free

显示的是整个系统的内存使用情况

博客地址待更新...

top

可以查看系统内存使用情况，也可以看进程的，具体可以看下面的博客哦

https://www.cnblogs.com/poloyy/p/12552041.html