【操作系统】聊聊Linux内存工作机制

内存主要是用来存储系统和应用程序的指令、数据、缓存等

内存映射

内存是需要安全机制保护的，所以只有内核才可以直接访问物理内存。进程如果要访问内存需要通过独立的虚拟地址空间。

虚拟地址空间其实包含两部分。一部分是内核空间，另一部分就是用户空间。

进程有用户态和内核态，用户态下只能访问用户空间，只有切换到内核态时才可以访问内核空间。
只有实际使用的虚拟内存才会分配物理内存，通过内存映射来管理。
内存映射其实就是将物理地址内存映射到虚拟内存。为每个进程维护了一张页表

页表其实是存储在CPU的内存管理单元MMU中。当发生缺页中断的时候，进入内核分配内存，更新进程页表，然后返回用户空间。
TLB是MMU中的高速缓存，通过减少上下文切换，可以减少TLB的刷新次数，就可以提高TLB的使用率。进而提高CPU的内存访问性能。

MMU是按照4KB为一页进行存储的，如果是4GB内存，那么就需要100多W页表项进行存储，才可以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，多级页表&大页

多级页表其实就是按照多个层级，最后按照对应的偏移地址。如下就是通过4级页表来管理。并且只存储使用的内存。

虚拟内存空间分布

空间内存分配其实就是按照 栈、文件映射、堆、数据段、只读段。堆和文件映射是动态分配的。

内存分配与回收

内存的分配是通过brk()和mmap()两个函数进行处理的。
brk() : 分配小于128K的内存，使用完并不立即归还给系统，而是缓存起来重复利用
mmap() : 直接使用内存映射来分配，也就是在文件映射段找一块空闲内存分配出去。

而当内存不足时，

• 回收缓存：使用LRU算法等进行回收。
• 回收不常用的内存，通过交换分区直接写到磁盘中
• 杀死进程：内存紧张时通过OOM，杀死占用大量内存的进程。

交换分区 Swap
其实就是把一块磁盘当作内存来使用，把不需要的进程数据先存储到磁盘中称为幻出，把数据从磁盘拉入内存称为换入。
但是swap可以增加系统内存，但是磁盘读写慢，所以会导致严重的内存性能问题。

OOM
内核的一种保护机制，监控进程内存的使用情况，大概就是为每个进程进行评分oom_socre。占用分数比较高的，就容易被杀死。

/proc 

范围在[-17, 15 ]可以进行设置 -17是禁止。数值越少，越不容易被OOM杀死。

可以通过配置

echo -16 > /proc/$(pidof sshd)/oom_adj

如何查看内存使用情况

total是总内存、used是硬使用内存，包含共享内存、free是未使用内存、shared是共享内存的大小。
buff/cache 是缓存和缓冲区的大小。 available是新进程可用内存大小。

VIRT：进程虚拟内存大小
RES常驻内存大小
SHR 共享内存大小
%MEM是进程占用内存百分比。

小结

本篇主要简要介绍虚拟内存、内存如何分配、如何回收的、以及如何进行查看内存占用TOP、FREE两个命令。