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性能测试必备知识(10)- Linux 是怎么管理内存的?

空天猎下 2020-08-14 16:27 363 查看 https://www.cnblogs.com/poloyy

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
  • 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
  • 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

  1. 只读段:包括代码和常量等
  2. 数据段:包括全局变量等
  3. 堆:包括动态分配的内存,从低地址开始向上增长
  4. 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
  5. 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

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

  1. 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
  2. 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
  3. 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

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 [-17, 15] ,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 -16 > /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

https://www.cnblogs.com/poloyy/p/13503203.html

 

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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

 

 
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