初學(xué)者如何熟悉Linux內(nèi)存管理機(jī)制

內(nèi)存是Linux內(nèi)核所管理的最重要的資源之一，內(nèi)存管理系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中最為重要的部分。對(duì)于Linux的初學(xué)者來說，熟悉Linux的內(nèi)存管理非常重要。

進(jìn)程是運(yùn)行于虛擬地址空間的一個(gè)程序?？梢哉f，任何在Linux系統(tǒng)下運(yùn)行的程序都是進(jìn)程。Linux系統(tǒng)中包括交互進(jìn)程和批處理進(jìn)程。交互進(jìn)程是由Shell控制和運(yùn)行的，既可以在前臺(tái)運(yùn)行，也可以在后臺(tái)運(yùn)行。批處理進(jìn)程不屬于某個(gè)終端，被提交到一個(gè)隊(duì)列中以便順序執(zhí)行。大多數(shù)的進(jìn)程都需要虛擬內(nèi)存。

一般需要多少內(nèi)存

對(duì)于典型的Linux應(yīng)用系統(tǒng)，128MB內(nèi)存是合理的選擇。如果不運(yùn)行X-Window系統(tǒng)，那么在一臺(tái)特殊用途的機(jī)器(比如用于調(diào)試設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的“崩潰和燒毀”系統(tǒng))上僅用8MB內(nèi)存就可以工作。

筆者曾經(jīng)做過實(shí)驗(yàn)，在128MB和256MB下編譯內(nèi)核所需的時(shí)間幾乎一樣，都少于3分半鐘(筆者的Linux發(fā)行版本是Mandrake Linux 9.1,內(nèi)核2.4.21)。在一個(gè)只有8MB內(nèi)存的系統(tǒng)上，編譯需要的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)一些。類似Web瀏覽器這樣的多媒體應(yīng)用軟件，在內(nèi)存充足時(shí)會(huì)運(yùn)行得更流暢，特別是在一邊編譯程序，一邊上網(wǎng)瀏覽的時(shí)候更是如此。因此，如果只有128MB內(nèi)存，則預(yù)期的性能會(huì)有所降低。類似地，如果要開發(fā)消耗大量?jī)?nèi)存的應(yīng)用程序，可能會(huì)要求更多的內(nèi)存。所以，需要多少內(nèi)存由工作需求來決定。

實(shí)時(shí)監(jiān)控內(nèi)存使用情況

1.在命令行使用“Free”命令監(jiān)控內(nèi)存使用情況 #free

total　 used　　free shared buffers cached

Mem:　　　　256024 192284　 63740　　　0　 10676 101004

-/+ buffers/cache:　80604　 75420

Swap:　　　 522072　　　0　522072

上面代碼給出了一個(gè)256MB的RAM和512MB交換空間的系統(tǒng)情況。第三行輸出(Mem:)顯示物理內(nèi)存。Total列不顯示核心使用的物理內(nèi)存(通常大約1MB)。Used列顯示被使用的內(nèi)存總額(第二行不計(jì)緩沖)。Free列顯示全部沒有使用的內(nèi)存。Shared列顯示多個(gè)進(jìn)程共享的內(nèi)存總額。Buffers列顯示磁盤緩存的當(dāng)前大小。第五行(Swap:)對(duì)換空間，顯示的信息類似上面。如果這行為全0，那么就沒有使用對(duì)換空間。在缺省的狀態(tài)下，free命令以千字節(jié)(也就是1024字節(jié)為單位)來顯示內(nèi)存使用情況。使用-h參數(shù)，以字節(jié)為單位顯內(nèi)存使用情況;或者使用-m參數(shù)，以兆字節(jié)為單位顯示內(nèi)存使用情況。還可以通過-s參數(shù)，使用命令來不間斷地監(jiān)視內(nèi)存使用情況：

#free -b -s5

這個(gè)命令將會(huì)在終端窗口中連續(xù)不斷地報(bào)告內(nèi)存的使用情況，每5秒鐘更新一次。

2.使甩vmstat命令監(jiān)視虛擬內(nèi)存使用情況 #　vmstat

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- ----cpu----

r　b　 swpd　 free　 buff　cache　 si　 so　　bi　　bo　 in　　cs us sy id wa

1　0　　　0　63692　10704 101008　　0　　0　 239　　42　126　 105 48 45　7　0

vmstat()命令是一個(gè)通用監(jiān)控程序，是Virtual Meomory Statistics(虛擬內(nèi)存統(tǒng)計(jì))的縮寫。如果使用vmstat命令的時(shí)候沒有使用任何命令行參數(shù)，將會(huì)得到一個(gè)一次性的報(bào)告。vmstat命令報(bào)告主要的活動(dòng)類型有進(jìn)程(procs)、內(nèi)存(以千字節(jié)為單位)、交換分區(qū)(以千字節(jié)為單位)、來自塊設(shè)備(硬盤驅(qū)動(dòng)器)的輸入輸出量、系統(tǒng)中斷(每秒鐘發(fā)生的次數(shù))，以及中央處理單元(CPU)分配給用戶、系統(tǒng)和空閑時(shí)分別占用的比例。

虛擬內(nèi)存實(shí)現(xiàn)的機(jī)制

存儲(chǔ)管理子系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中最重要的組成部分之一。在早期計(jì)算時(shí)代，由于人們所需要的內(nèi)存數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于物理內(nèi)存，因此設(shè)計(jì)出了各種各樣的策略來解決此問題，其中最成功的就是虛擬內(nèi)存技術(shù)，它使得系統(tǒng)中有限的物理內(nèi)存競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)程所需內(nèi)存空間得到滿足。虛擬內(nèi)存通過在各個(gè)進(jìn)程之間共享內(nèi)存，而使系統(tǒng)看起來有多于實(shí)際內(nèi)存的內(nèi)存容量。Linux支持虛擬內(nèi)存, 就是使用磁盤作為RAM的擴(kuò)展，使可用內(nèi)存相應(yīng)地有效擴(kuò)大。核心把當(dāng)前不用的內(nèi)存塊存到硬盤，騰出內(nèi)存給其它目的。當(dāng)原來的內(nèi)容又要使用時(shí)，再讀回內(nèi)存。運(yùn)行于Linux的程序只看到大量的可用內(nèi)存，而不關(guān)心哪部分在磁盤上。當(dāng)然，讀寫硬盤比真的內(nèi)存慢(大約慢千倍)，所以程序運(yùn)行較慢。用做虛擬內(nèi)存的這部分硬盤叫對(duì)換空間。

虛擬內(nèi)存技術(shù)不僅僅讓我們可以使用更多的內(nèi)存，它還提供了下面這些功能：

1.巨大的尋址空間

操作系統(tǒng)讓系統(tǒng)看上去有比實(shí)際內(nèi)存大得多的內(nèi)存空間。虛擬內(nèi)存可以是系統(tǒng)中實(shí)際物理空間的許多倍。每個(gè)進(jìn)程運(yùn)行在其獨(dú)立的虛擬地址空間中，這些虛擬空間相互之間都完全隔離開來，所以進(jìn)程間不會(huì)互相影響。同時(shí)，硬件虛擬內(nèi)存機(jī)構(gòu)可以將內(nèi)存的某些區(qū)域設(shè)置成不可寫，這樣可以保護(hù)代碼與數(shù)據(jù)不會(huì)受惡意程序的干擾。

2.公平的物理內(nèi)存分配

內(nèi)存管理子系統(tǒng)允許系統(tǒng)中每個(gè)運(yùn)行的進(jìn)程公平地共享系統(tǒng)中的物理內(nèi)存。

3.共享虛擬內(nèi)存

盡管虛擬內(nèi)存允許進(jìn)程有其獨(dú)立的虛擬地址空間，但有時(shí)也需要在進(jìn)程之間共享內(nèi)存。例如，有可能系統(tǒng)中有幾個(gè)進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行BASH命令外殼程序。為了避免在每個(gè)進(jìn)程的虛擬內(nèi)存空間內(nèi)都存在BASH程序的拷貝，較好的解決辦法是系統(tǒng)物理內(nèi)存中只存在一份BASH的拷貝，并在多個(gè)進(jìn)程間共享。動(dòng)態(tài)庫(kù)則是另外一種進(jìn)程間共享執(zhí)行代碼的方式。共享內(nèi)存可用來作為進(jìn)程間通信(IPC)的手段，多個(gè)進(jìn)程通過共享內(nèi)存來交換信息。Linux支持SYSTEM V的共享內(nèi)存IPC機(jī)制。

4.進(jìn)程的保護(hù)

系統(tǒng)中的每一個(gè)進(jìn)程都有自己的虛擬地址空間。這些虛擬地址空間是完全分開的，這樣一個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行不會(huì)影響其它進(jìn)程，并且硬件上的虛擬內(nèi)存機(jī)制是被保護(hù)的，內(nèi)存不能被寫入。這樣可以防止迷失的應(yīng)用程序覆蓋代碼的數(shù)據(jù)。

5.Linux虛擬內(nèi)存實(shí)現(xiàn)機(jī)制

Linux虛擬內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)需要6種機(jī)制的支持：地址映射機(jī)制、內(nèi)存分配回收機(jī)制、緩存和刷新機(jī)制、請(qǐng)求頁(yè)機(jī)制、交換機(jī)制和內(nèi)存共享機(jī)制。

內(nèi)存管理程序通過映射機(jī)制把用戶程序的邏輯地址映射到物理地址。當(dāng)用戶程序運(yùn)行時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)程序中要用的虛地址沒有對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存，就發(fā)出了請(qǐng)求頁(yè)要求。如果有空閑的內(nèi)存可供分配，就請(qǐng)求分配內(nèi)存(于是用到了內(nèi)存的分配和回收)，并把正在使用的物理頁(yè)記錄在緩存中(使用了緩存機(jī)制)。如果沒有足夠的內(nèi)存可供分配，那么就調(diào)用交換機(jī)制;騰出一部分內(nèi)存。另外，在地址映射中要通過TLB(翻譯后援存儲(chǔ)器)來尋找物理頁(yè);交換機(jī)制中也要用到交換緩存，并且把物理頁(yè)內(nèi)容交換到交換文件中，也要修改頁(yè)表來映射文件地址。Linux虛擬內(nèi)存實(shí)現(xiàn)原理見圖1。