温故知新·内存管理基础知识

内存页

linux 内核中把物理页作为内存分配的最小单位,32位CPU 页的大小通常为4K,64位的CPU通常支持8K的也。内存管理单元MMU 同样以页为大小分配内存。

内存映射

我们通常所说的内存是指物理内存(PC机上的内存条),也称为主存。为了避免内存数据被篡改,提升内存的读写速度, 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。(物理内存只有内核可以访问)

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(也就是单个 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。比如最常见的 32 位和 64 位系统,下面两张图分别表示它们的虚拟地址空间,如下所示:

IO

通过这里可以看出,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(下面是用户空间,上面是内核空间),剩下的中间部分是未定义的。

进程在用户态(关于用户态和内核态可以阅读前文:点击这里)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(也就是说内核空间是进程共享的)。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。

那么问题又来了,如果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。

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,如下图所示:

IO

页表实际上存储在 CPU 的内存管理单元 MMU 中,这样,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。而当进程访问的虚拟地址在页表中查不到时,系统会产生一个缺页异常,进入内核空间分配物理内存、更新进程页表,最后再返回用户空间,恢复进程的运行。

页表管理

不过要注意,MMU 并不以字节为单位来管理内存,而是规定了一个内存映射的最小单位,也就是页,通常是 4 KB 大小。这样,每一次内存映射,都需要关联 4 KB 或者 4KB 整数倍的内存空间。

如果以4KB内存页为单位管理内存,那整个页表会变得非常大, 4G的物理内存需要100 多万个页表项(4GB/4KB)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,也就是多级页表大页(HugePage)

多级页表

多级页表就是把内存分成区块来管理,将原来的映射关系改成区块索引和区块内的偏移。由于虚拟内存空间通常只用了很少一部分,那么,多级页表就只保存这些使用中的区块,这样就可以大大地减少页表的项数。

大页(HugePage)

虚拟内存空间分布

我们在回头看一下虚拟内存空间的分布情况。最上方的内核空间不用多讲,下方的用户空间内存,其实又被分成了多个不同的段。以 32 位系统为例,用户空间内存空间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。

IO

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。

内存分配与回收

内存分配

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()mmap()

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。

而大块内存(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。

这两种方式,自然各有优缺点。

  • brk()方式的缓存,可以减少缺页异常的发生,提高内存访问效率。不过,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()方式分配的内存,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。

了解这两种调用方式后,我们还需要清楚一点,那就是,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。

整体来说,Linux 使用伙伴系统来管理内存分配。前面我们提到过,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(比如 brk 方式造成的内存碎片)。

你可能会想到一个问题,如果遇到比页更小的对象,比如不到 1K 的时候,该怎么分配内存呢?实际系统运行中,确实有大量比页还小的对象,如果为它们也分配单独的页,那就太浪费内存了。

所以,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。

内存回收

对内存来说,如果只分配而不释放,就会造成内存泄漏,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()unmap(),来释放这些不用的内存。

当然,系统也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,比如下面这三种方式:

  • 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。

其中,第二种方式回收不常访问的内存时,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)。

第三种方式提到的OOM(Out of Memory),其实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;
  • 一个进程运行占用的CPU越多,oom_score 就越小。

这样,进程的oom_score越大,代表消耗的内存越多,也就越容易被 OOM 杀死,从而可以更好保护系统。

当然,为了实际工作的需要,管理员可以通过/proc文件系统,手动设置进程的oom_adj,从而调整进程的oom_scoreoom_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。

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# 查看PID 1115的oom_adj配置
root@Devops:~$ cat /proc/1115/oom_adj
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