導言

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

本文深入探討 Linux 內(nèi)存管理，探索頁面表的復雜性、交換的作用以及不同的內(nèi)存分配機制。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，實現(xiàn)了虛擬內(nèi)存，為進程提供了一個巨大的連續(xù)內(nèi)存空間的錯覺。虛擬內(nèi)存能夠高效地進行多任務處理，隔離進程，并訪問比物理可用內(nèi)存更多的內(nèi)存。虛擬內(nèi)存的核心機制是頁面表，它將虛擬地址映射到物理內(nèi)存位置。

頁面表的工作原理頁面表是 Linux 內(nèi)核用來將虛擬地址轉換為物理地址的數(shù)據(jù)結構。由于內(nèi)存是以稱為頁的固定大小塊進行管理的（通常大小為 4KB），因此每個進程都維護一個頁面表，用于跟蹤哪些虛擬頁對應哪些物理頁。

多級頁面表

由于現(xiàn)代計算中的地址空間很大（例如，64 位架構），單級頁面表效率低下且會消耗過多的內(nèi)存。因此，Linux 使用分層的多級頁面表方法：

1. 單級頁面表（在具有少量內(nèi)存的舊 32 位系統(tǒng)中使用）
2. 兩級頁面表（通過將頁面表分解成更小的塊來提高效率）
3. 三級頁面表（在某些架構中用于更好的可擴展性）
4. 四級頁面表（現(xiàn)代 64 位 Linux 系統(tǒng)中的標準，將地址分解成更小的部分）

每一級都有助于找到頁面表的下一部分，直到最后的條目，其中包含實際的物理地址。

頁面表條目 (PTE) 及其組成部分**頁面表條目 (PTE)** 包含基本信息，例如：

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

性能注意事項：轉換旁路緩沖區(qū) (TLB)由于每次內(nèi)存訪問都遍歷多級頁面表會很慢，因此現(xiàn)代 CPU 使用稱為轉換旁路緩沖區(qū) (TLB) 的硬件緩存。TLB 存儲最近的虛擬到物理地址轉換，通過減少所需的內(nèi)存訪問次數(shù)來大幅提高性能。

Linux 中的交換：將內(nèi)存擴展到物理限制之外

什么是交換？交換是一種機制，當內(nèi)存不足時，Linux 將不常用的內(nèi)存頁從 RAM 移動到磁盤（交換空間）。此過程允許系統(tǒng)處理超過可用物理內(nèi)存的工作負載。

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）。

當進程需要的內(nèi)存超過可用內(nèi)存時，內(nèi)核使用頁面置換算法來決定要交換出哪些頁面。

頁面置換算法Linux 使用不同的算法來決定要交換出哪些頁面：

• 最近最少使用 (LRU)：最長時間未使用的頁面首先被交換。
• 最近未使用 (NRU)：根據(jù)頁面的訪問和修改位對頁面進行分類。
• 時鐘算法: LRU 的簡化版本，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 交換頁面的積極程度。該值范圍為0 到 100**：

• 低值（例如，10-20）：盡可能長時間地將頁面保留在 RAM 中。
• 高值（例如，60-100）：更積極地進行交換以釋放 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 進行交換存儲以減少性能下降。

• 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)存分為三個區(qū)域：

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

內(nèi)核內(nèi)存分配機制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/釋放的小對象。 3. SLOB 和 SLUB 分配器: 為不同的工作負載優(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) 情況當內(nèi)存耗盡時，Linux OOM Killer 會選擇并終止進程以釋放 RAM?？梢酝ㄟ^以下方式檢查日志：

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

實用見解和最佳實踐

監(jiān)控內(nèi)存使用情況- 使用 top 和 htop 進行實時監(jiān)控。

• 使用 free -m 獲取內(nèi)存統(tǒng)計信息。
• 使用 /proc/meminfo 獲取詳細信息。
• 使用 pmap 獲取特定進程的內(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 來限制進程的內(nèi)存消耗。
• 使用巨頁進行大型內(nèi)存分配。
• 優(yōu)化應用程序內(nèi)存占用以防止過度交換。

結論

理解 Linux 內(nèi)存管理——頁面表、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)化性能和排除問題。通過監(jiān)控、調(diào)整和增強內(nèi)存處理的工具和技術，Linux 仍然是各種工作負載的強大而靈活的操作系統(tǒng)。

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

以上是Linux內(nèi)存管理：了解頁面表，交換和內(nèi)存分配的詳細內(nèi)容。更多信息請關注PHP中文網(wǎng)其他相關文章！