Linux內(nèi)存管理機(jī)制的示例分析

這篇文章主要為大家展示了“Linux內(nèi)存管理機(jī)制的示例分析”，內(nèi)容簡(jiǎn)而易懂，條理清晰，希望能夠幫助大家解決疑惑，下面讓小編帶領(lǐng)大家一起研究并學(xué)習(xí)一下“Linux內(nèi)存管理機(jī)制的示例分析”這篇文章吧。

下面來(lái)了解下Linux內(nèi)存管理機(jī)制：

一、物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存

我們知道，直接從物理內(nèi)存讀寫數(shù)據(jù)要比從硬盤讀寫數(shù)據(jù)要快的多，因此，我們希望所有數(shù)據(jù)的讀取和寫入都在內(nèi)存完成，而內(nèi)存是有限的，這樣就引出了物理內(nèi)存與虛擬內(nèi)存的概念。

物理內(nèi)存就是系統(tǒng)硬件提供的內(nèi)存大小，是真正的內(nèi)存，相對(duì)于物理內(nèi)存，在Linux下還有一個(gè)虛擬內(nèi)存的概念，虛擬內(nèi)存就是為了滿足物理內(nèi)存的不足而提出的策略，它是利用磁盤空間虛擬出的一塊邏輯內(nèi)存，用作虛擬內(nèi)存的磁盤空間被稱為交換空間（Swap Space）。

作為物理內(nèi)存的擴(kuò)展，Linux會(huì)在物理內(nèi)存不足時(shí)，使用交換分區(qū)的虛擬內(nèi)存，更詳細(xì)的說(shuō)，就是內(nèi)核會(huì)將暫時(shí)不用的內(nèi)存塊信息寫到交換空間，這樣以來(lái)，物理內(nèi)存得到了釋放，這塊內(nèi)存就可以用于其它目的，當(dāng)需要用到原始的內(nèi)容時(shí)，這些信息會(huì)被重新從交換空間讀入物理內(nèi)存。

Linux的內(nèi)存管理采取的是分頁(yè)存取機(jī)制，為了保證物理內(nèi)存能得到充分的利用，內(nèi)核會(huì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)⑽锢韮?nèi)存中不經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)塊自動(dòng)交換到虛擬內(nèi)存中，而將經(jīng)常使用的信息保留到物理內(nèi)存。

要深入了解Linux內(nèi)存運(yùn)行機(jī)制，需要知道下面提到的幾個(gè)方面：

1. Linux系統(tǒng)會(huì)不時(shí)的進(jìn)行頁(yè)面交換操作，以保持盡可能多的空閑物理內(nèi)存，即使并沒(méi)有什么事情需要內(nèi)存，Linux也會(huì)交換出暫時(shí)不用的內(nèi)存頁(yè)面。這可以避免等待交換所需的時(shí)間。

2. Linux進(jìn)行頁(yè)面交換是有條件的，不是所有頁(yè)面在不用時(shí)都交換到虛擬內(nèi)存，Linux內(nèi)核根據(jù)”最近最經(jīng)常使用“算法，僅僅將一些不經(jīng)常使用的頁(yè)面文件交換到虛擬內(nèi)存，有時(shí)我們會(huì)看到這么一個(gè)現(xiàn)象：Linux物理內(nèi)存還有很多，但是交換空間也使用了很多。其實(shí)，這并不奇怪，例如，一個(gè)占用很大內(nèi)存的進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，需要耗費(fèi)很多內(nèi)存資源，此時(shí)就會(huì)有一些不常用頁(yè)面文件被交換到虛擬內(nèi)存中，但后來(lái)這個(gè)占用很多內(nèi)存資源的進(jìn)程結(jié)束并釋放了很多內(nèi)存時(shí)，剛才被交換出去的頁(yè)面文件并不會(huì)自動(dòng)的交換進(jìn)物理內(nèi)存，除非有這個(gè)必要，那么此刻系統(tǒng)物理內(nèi)存就會(huì)空閑很多，同時(shí)交換空間也在被使用，就出現(xiàn)了剛才所說(shuō)的現(xiàn)象了。關(guān)于這點(diǎn)，不用擔(dān)心什么，只要知道是怎么一回事就可以了。

3. 交換空間的頁(yè)面在使用時(shí)會(huì)首先被交換到物理內(nèi)存，如果此時(shí)沒(méi)有足夠的物理內(nèi)存來(lái)容納這些頁(yè)面，它們又會(huì)被馬上交換出去，如此以來(lái)，虛擬內(nèi)存中可能沒(méi)有足夠空間來(lái)存儲(chǔ)這些交換頁(yè)面，最終會(huì)導(dǎo)致Linux出現(xiàn)假死機(jī)、服務(wù)異常等問(wèn)題，Linux雖然可以在一段時(shí)間內(nèi)自行恢復(fù)，但是恢復(fù)后的系統(tǒng)已經(jīng)基本不可用了。

因此，合理規(guī)劃和設(shè)計(jì)Linux內(nèi)存的使用，是非常重要的.

二、內(nèi)存的監(jiān)控

作為一名Linux系統(tǒng)管理員，監(jiān)控內(nèi)存的使用狀態(tài)是非常重要的，通過(guò)監(jiān)控有助于了解內(nèi)存的使用狀態(tài)，比如內(nèi)存占用是否正常，內(nèi)存是否緊缺等等，監(jiān)控內(nèi)存最常使用的命令有free、top等，下面是某個(gè)系統(tǒng)free的輸出：

[root@linuxeye ~]# free              total       used       free     shared    buffers     cached Mem:       3894036    3473544     420492          0      72972    1332348 -/+ buffers/cache:    2068224    1825812 Swap:      4095992     906036    3189956

每個(gè)選項(xiàng)的含義：

第一行：

total：物理內(nèi)存的總大小

used：已經(jīng)使用的物理內(nèi)存大小

free：空閑的物理內(nèi)存大小

shared：多個(gè)進(jìn)程共享的內(nèi)存大小

buffers/cached：磁盤緩存的大小

第二行Mem：代表物理內(nèi)存使用情況

第三行(-/+ buffers/cached)：代表磁盤緩存使用狀態(tài)

第四行：Swap表示交換空間內(nèi)存使用狀態(tài)

free命令輸出的內(nèi)存狀態(tài)，可以通過(guò)兩個(gè)角度來(lái)查看：一個(gè)是從內(nèi)核的角度來(lái)看，一個(gè)是從應(yīng)用層的角度來(lái)看的。

從內(nèi)核的角度來(lái)查看內(nèi)存的狀態(tài)

就是內(nèi)核目前可以直接分配到，不需要額外的操作，即為上面free命令輸出中第二行Mem項(xiàng)的值，可以看出，此系統(tǒng)物理內(nèi)存有3894036K，空閑的內(nèi)存只有420492K，也就是40M多一點(diǎn)，我們來(lái)做一個(gè)這樣的計(jì)算：

3894036 – 3473544 = 420492

其實(shí)就是總的物理內(nèi)存減去已經(jīng)使用的物理內(nèi)存得到的就是空閑的物理內(nèi)存大小，注意這里的可用內(nèi)存值420492并不包含處于buffers和cached狀態(tài)的內(nèi)存大小。

如果你認(rèn)為這個(gè)系統(tǒng)空閑內(nèi)存太小，那你就錯(cuò)了，實(shí)際上，內(nèi)核完全控制著內(nèi)存的使用情況，Linux會(huì)在需要內(nèi)存的時(shí)候，或在系統(tǒng)運(yùn)行逐步推進(jìn)時(shí)，將buffers和cached狀態(tài)的內(nèi)存變?yōu)閒ree狀態(tài)的內(nèi)存，以供系統(tǒng)使用。

從應(yīng)用層的角度來(lái)看系統(tǒng)內(nèi)存的使用狀態(tài)

也就是Linux上運(yùn)行的應(yīng)用程序可以使用的內(nèi)存大小，即free命令第三行 -/+ buffers/cached 的輸出，可以看到，此系統(tǒng)已經(jīng)使用的內(nèi)存才2068224K，而空閑的內(nèi)存達(dá)到1825812K，繼續(xù)做這樣一個(gè)計(jì)算：

420492＋（72972＋1332348）＝1825812

通過(guò)這個(gè)等式可知，應(yīng)用程序可用的物理內(nèi)存值是Mem項(xiàng)的free值加上buffers和cached值之和，也就是說(shuō)，這個(gè)free值是包括buffers和cached項(xiàng)大小的，對(duì)于應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，buffers/cached占有的內(nèi)存是可用的，因?yàn)閎uffers/cached是為了提高文件讀取的性能，當(dāng)應(yīng)用程序需要用到內(nèi)存的時(shí)候，buffers/cached會(huì)很快地被回收，以供應(yīng)用程序使用。

buffers與cached的異同

在Linux 操作系統(tǒng)中，當(dāng)應(yīng)用程序需要讀取文件中的數(shù)據(jù)時(shí)，操作系統(tǒng)先分配一些內(nèi)存，將數(shù)據(jù)從磁盤讀入到這些內(nèi)存中，然后再將數(shù)據(jù)分發(fā)給應(yīng)用程序；當(dāng)需要往文件中寫數(shù)據(jù)時(shí)，操作系統(tǒng)先分配內(nèi)存接收用戶數(shù)據(jù)，然后再將數(shù)據(jù)從內(nèi)存寫到磁盤上。然而，如果有大量數(shù)據(jù)需要從磁盤讀取到內(nèi)存或者由內(nèi)存寫入磁盤時(shí)，系統(tǒng)的讀寫性能就變得非常低下，因?yàn)闊o(wú)論是從磁盤讀數(shù)據(jù)，還是寫數(shù)據(jù)到磁盤，都是一個(gè)很消耗時(shí)間和資源的過(guò)程，在這種情況下，Linux引入了buffers和cached機(jī)制。

buffers與cached都是內(nèi)存操作，用來(lái)保存系統(tǒng)曾經(jīng)打開過(guò)的文件以及文件屬性信息，這樣當(dāng)操作系統(tǒng)需要讀取某些文件時(shí)，會(huì)首先在buffers與cached內(nèi)存區(qū)查找，如果找到，直接讀出傳送給應(yīng)用程序，如果沒(méi)有找到需要數(shù)據(jù)，才從磁盤讀取，這就是操作系統(tǒng)的緩存機(jī)制，通過(guò)緩存，大大提高了操作系統(tǒng)的性能。但buffers與cached緩沖的內(nèi)容卻是不同的。

buffers是用來(lái)緩沖塊設(shè)備做的，它只記錄文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)（metadata）以及 tracking in-flight pages，而cached是用來(lái)給文件做緩沖。更通俗一點(diǎn)說(shuō)：buffers主要用來(lái)存放目錄里面有什么內(nèi)容，文件的屬性以及權(quán)限等等。而cached直接用來(lái)記憶我們打開過(guò)的文件和程序。

為了驗(yàn)證我們的結(jié)論是否正確，可以通過(guò)vi打開一個(gè)非常大的文件，看看cached的變化，然后再次vi這個(gè)文件，感覺(jué)一下兩次打開的速度有何異同，是不是第二次打開的速度明顯快于第一次呢？

接著執(zhí)行下面的命令：

find /* -name  *.conf

看看buffers的值是否變化，然后重復(fù)執(zhí)行find命令，看看兩次顯示速度有何不同。

Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)存運(yùn)行原理，很大程度上是根據(jù)服務(wù)器的需求來(lái)設(shè)計(jì)的，例如系統(tǒng)的緩沖機(jī)制會(huì)把經(jīng)常使用到的文件和數(shù)據(jù)緩存在cached中，linux總是在力求緩存更多的數(shù)據(jù)和信息，這樣再次需要這些數(shù)據(jù)時(shí)可以直接從內(nèi)存中取，而不需要有一個(gè)漫長(zhǎng)的磁盤操作，這種設(shè)計(jì)思路提高了系統(tǒng)的整體性能。

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