導(dǎo)言

內(nèi)存管理是現(xiàn)代操作系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵方面，它確保系統(tǒng)內(nèi)存的有效分配和釋放。作為一款強(qiáng)大且廣泛使用的操作系統(tǒng)，Linux 采用了復(fù)雜的技巧來(lái)高效地管理內(nèi)存。理解頁(yè)面表、交換和內(nèi)存分配等關(guān)鍵概念對(duì)于系統(tǒng)管理員、開發(fā)人員以及任何在底層使用 Linux 的人員都至關(guān)重要。

本文深入探討 Linux 內(nèi)存管理，探索頁(yè)面表的復(fù)雜性、交換的作用以及不同的內(nèi)存分配機(jī)制。閱讀完畢后，讀者將深入了解 Linux 如何處理內(nèi)存以及如何優(yōu)化內(nèi)存以獲得更好的性能。

理解 Linux 頁(yè)面表

什么是虛擬內(nèi)存？Linux 與大多數(shù)現(xiàn)代操作系統(tǒng)一樣，實(shí)現(xiàn)了虛擬內(nèi)存，為進(jìn)程提供了一個(gè)巨大的連續(xù)內(nèi)存空間的錯(cuò)覺(jué)。虛擬內(nèi)存能夠高效地進(jìn)行多任務(wù)處理，隔離進(jìn)程，并訪問(wèn)比物理可用內(nèi)存更多的內(nèi)存。虛擬內(nèi)存的核心機(jī)制是頁(yè)面表，它將虛擬地址映射到物理內(nèi)存位置。

頁(yè)面表的工作原理頁(yè)面表是 Linux 內(nèi)核用來(lái)將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。由于內(nèi)存是以稱為頁(yè)的固定大小塊進(jìn)行管理的（通常大小為 4KB），因此每個(gè)進(jìn)程都維護(hù)一個(gè)頁(yè)面表，用于跟蹤哪些虛擬頁(yè)對(duì)應(yīng)哪些物理頁(yè)。

多級(jí)頁(yè)面表

由于現(xiàn)代計(jì)算中的地址空間很大（例如，64 位架構(gòu)），單級(jí)頁(yè)面表效率低下且會(huì)消耗過(guò)多的內(nèi)存。因此，Linux 使用分層的多級(jí)頁(yè)面表方法：

1. 單級(jí)頁(yè)面表（在具有少量?jī)?nèi)存的舊 32 位系統(tǒng)中使用）
2. 兩級(jí)頁(yè)面表（通過(guò)將頁(yè)面表分解成更小的塊來(lái)提高效率）
3. 三級(jí)頁(yè)面表（在某些架構(gòu)中用于更好的可擴(kuò)展性）
4. 四級(jí)頁(yè)面表（現(xiàn)代 64 位 Linux 系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)，將地址分解成更小的部分）

每一級(jí)都有助于找到頁(yè)面表的下一部分，直到最后的條目，其中包含實(shí)際的物理地址。

頁(yè)面表?xiàng)l目 (PTE) 及其組成部分**頁(yè)面表?xiàng)l目 (PTE)** 包含基本信息，例如：

• 物理頁(yè)面幀編號(hào)。
• 訪問(wèn)控制位（讀/寫/執(zhí)行權(quán)限）。
• 存在位（指示頁(yè)面是否在 RAM 中或已交換到磁盤）。
• 臟位（表示頁(yè)面是否已被修改）。
• 參考位（用于頁(yè)面置換算法）。

性能注意事項(xiàng)：轉(zhuǎn)換旁路緩沖區(qū) (TLB)由于每次內(nèi)存訪問(wèn)都遍歷多級(jí)頁(yè)面表會(huì)很慢，因此現(xiàn)代 CPU 使用稱為轉(zhuǎn)換旁路緩沖區(qū) (TLB) 的硬件緩存。TLB 存儲(chǔ)最近的虛擬到物理地址轉(zhuǎn)換，通過(guò)減少所需的內(nèi)存訪問(wèn)次數(shù)來(lái)大幅提高性能。

Linux 中的交換：將內(nèi)存擴(kuò)展到物理限制之外

什么是交換？交換是一種機(jī)制，當(dāng)內(nèi)存不足時(shí)，Linux 將不常用的內(nèi)存頁(yè)從 RAM 移動(dòng)到磁盤（交換空間）。此過(guò)程允許系統(tǒng)處理超過(guò)可用物理內(nèi)存的工作負(fù)載。

交換的工作原理Linux 保留專用的交換空間，它可以是：

• 交換分區(qū)（專用于交換的單獨(dú)磁盤分區(qū)）。
• 交換文件（用作交換空間的文件系統(tǒng)上的文件）。

當(dāng)進(jìn)程需要的內(nèi)存超過(guò)可用內(nèi)存時(shí)，內(nèi)核使用頁(yè)面置換算法來(lái)決定要交換出哪些頁(yè)面。

頁(yè)面置換算法Linux 使用不同的算法來(lái)決定要交換出哪些頁(yè)面：

• 最近最少使用 (LRU)：最長(zhǎng)時(shí)間未使用的頁(yè)面首先被交換。
• 最近未使用 (NRU)：根據(jù)頁(yè)面的訪問(wèn)和修改位對(duì)頁(yè)面進(jìn)行分類。
• 時(shí)鐘算法: LRU 的簡(jiǎn)化版本，可以有效地近似使用情況。

管理交換使用情況**swappiness 參數(shù)控制 Linux 交換頁(yè)面的積極程度。該值范圍為0 到 100**：

• 低值（例如，10-20）：盡可能長(zhǎng)時(shí)間地將頁(yè)面保留在 RAM 中。
• 高值（例如，60-100）：更積極地進(jìn)行交換以釋放 RAM。

要檢查和調(diào)整 swappiness：

<code>cat /proc/sys/vm/swappiness
sudo sysctl vm.swappiness=30</code>

要監(jiān)控交換使用情況：

<code>free -m
vmstat 2
swapon -s</code>

優(yōu)化交換性能- 使用快速的 SSD 進(jìn)行交換存儲(chǔ)以減少性能下降。

• 確保有足夠的 RAM 以最大限度地減少交換。
• 根據(jù)工作負(fù)載需求調(diào)整swappiness。

Linux 中的內(nèi)存分配

物理內(nèi)存與虛擬內(nèi)存分配Linux 將內(nèi)存分為三個(gè)區(qū)域：

• DMA（直接內(nèi)存訪問(wèn)）: 為需要直接內(nèi)存訪問(wèn)的硬件保留。
• 普通區(qū)域: 內(nèi)核和用戶進(jìn)程可用的內(nèi)存。
• 高內(nèi)存: 當(dāng)物理內(nèi)存超過(guò)直接可尋址范圍時(shí)使用。

內(nèi)核內(nèi)存分配機(jī)制1. 伙伴系統(tǒng): 以 2 的冪次方塊分配內(nèi)存以減少碎片。 2. Slab 分配器: 有效地管理頻繁分配/釋放的小對(duì)象。 3. SLOB 和 SLUB 分配器: 為不同的工作負(fù)載優(yōu)化的替代分配策略。

用戶空間內(nèi)存分配- malloc()：在用戶空間分配內(nèi)存。

• brk() & sbrk()：調(diào)整進(jìn)程堆大小。
• mmap()：直接從內(nèi)核分配大型內(nèi)存區(qū)域。

處理內(nèi)存不足 (OOM) 情況當(dāng)內(nèi)存耗盡時(shí)，Linux OOM Killer 會(huì)選擇并終止進(jìn)程以釋放 RAM?？梢酝ㄟ^(guò)以下方式檢查日志：

<code>dmesg | grep -i 'oom'</code>

實(shí)用見(jiàn)解和最佳實(shí)踐

監(jiān)控內(nèi)存使用情況- 使用 top 和 htop 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

• 使用 free -m 獲取內(nèi)存統(tǒng)計(jì)信息。
• 使用 /proc/meminfo 獲取詳細(xì)信息。
• 使用 pmap 獲取特定進(jìn)程的內(nèi)存映射。

優(yōu)化內(nèi)存性能- 調(diào)整swappiness 以平衡 RAM 和交換使用情況。

• 使用內(nèi)存 cgroup 來(lái)限制進(jìn)程的內(nèi)存消耗。
• 使用巨頁(yè)進(jìn)行大型內(nèi)存分配。
• 優(yōu)化應(yīng)用程序內(nèi)存占用以防止過(guò)度交換。

結(jié)論

理解 Linux 內(nèi)存管理——頁(yè)面表、交換和內(nèi)存分配——使系統(tǒng)管理員和開發(fā)人員能夠有效地優(yōu)化性能和排除問(wèn)題。通過(guò)監(jiān)控、調(diào)整和增強(qiáng)內(nèi)存處理的工具和技術(shù)，Linux 仍然是各種工作負(fù)載的強(qiáng)大而靈活的操作系統(tǒng)。

通過(guò)掌握這些概念，您可以確保您的系統(tǒng)高效運(yùn)行并在內(nèi)存限制下良好響應(yīng)，從而提高整體性能和可靠性。

Atas ialah kandungan terperinci Pengurusan Memori Linux: Memahami Jadual Halaman, Pertukaran, dan Peruntukan Memori. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!