内存管理

虚拟内存分段分页

为了在多进程环境下，使得进程之间的内存地址不受影响，相互隔离，于是操作系统就为每个进程独立分配一套虚拟地址空间，每个程序只关心自己的虚拟地址就可以，实际上大家的虚拟地址都是一样的，但分布到物理地址内存是不一样的。作为程序，也不用关心物理地址的事情。

那既然有了虚拟地址空间，那必然要把虚拟地址「映射」到物理地址，这个事情通常由操作系统来维护。

那么对于虚拟地址与物理地址的映射关系，可以有分段和分页的方式，同时两者结合都是可以的。

1. 内存分段是根据程序的逻辑角度，分成了栈段、堆段、数据段、代码段等，这样可以分离出不同属性的段，同时是一块连续的空间。但是每个段的大小都不是统一的，这就会导致外部内存碎片和内存交换效率低的问题。
2. 于是，就出现了内存分页，把虚拟空间和物理空间分成大小固定的页，如在 Linux 系统中，每一页的大小为 4KB。由于分了页后，就不会产生细小的内存碎片，解决了内存分段的外部内存碎片问题。同时在内存交换的时候，写入硬盘也就一个页或几个页，这就大大提高了内存交换的效率。
   • 在分页机制下，虚拟地址分为两部分，页号和页内偏移。页号作为页表的索引，页表包含物理页每页所在物理内存的基地址，这个基地址与页内偏移的组合就形成了物理内存地址。
3. 再来，为了解决简单分页产生的页表过大的问题，就有了多级页表，它解决了空间上的问题，但这就会导致 CPU 在寻址的过程中，需要有很多层表参与，加大了时间上的开销。
   • 分了二级表，映射 4GB 地址空间就需要 4KB（一级页表）+ 4MB（二级页表）的内存，这样占用空间不是更大了吗？
   • 对于已分配的页表项，如果存在最近一定时间未访问的页表，在物理内存紧张的情况下，操作系统会将页面换出到硬盘，也就是说不会占用物理内存。
   • 如果某个一级页表的页表项没有被用到，也就不需要创建这个页表项对应的二级页表了，即可以在需要时才创建二级页表。
   • 在 32 位的环境下，虚拟地址空间共有 4GB，假设一个页的大小是 4KB（2^12），那么就需要大约 100 万 （2^20） 个页，每个「页表项」需要 4 个字节大小来存储，那么整个 4GB 空间的映射在单页表时，就需要有 4MB 的内存来存储页表。
   • 假设只有 20% 的一级页表项被用到了，那么页表占用的内存空间就只有 4KB（一级页表） + 20% * 4MB（二级页表）= 0.804MB，这对比单级页表的 4MB 是不是一个巨大的节约？
4. 于是根据程序的局部性原理，在 CPU 芯片中加入了 TLB，负责缓存最近常被访问的页表项，大大提高了地址的转换速度。CPU 在寻址时，会先查 TLB，如果没找到，才会继续查常规的页表。

Linux 系统主要采用了分页管理，但是由于 Intel 处理器的发展史，Linux 系统无法避免分段管理。于是 Linux 就把所有段的基地址设为 0，也就意味着所有程序的地址空间都是线性地址空间（虚拟地址），相当于屏蔽了 CPU 逻辑地址的概念，所以段只被用于访问控制和内存保护。

另外，Linux 系统中虚拟空间分布可分为用户态和内核态两部分，其中用户态的分布：代码段、全局变量、BSS、函数栈、堆内存、映射区。

malloc 是如何分配内存？

虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间两部分

内核空间与用户空间的区别：

• 进程在用户态时，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的内存；

虽然每个进程都各自有独立的虚拟内存，但是每个虚拟内存中的内核地址，其实关联的都是相同的物理内存。

用户空间内存从低到高分别是 6 种不同的内存段：

• 代码段，包括二进制可执行代码；
• 数据段，包括已初始化的静态常量和全局变量；
• BSS 段，包括未初始化的静态变量和全局变量；
• 堆段，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，从低地址开始向上增长（跟硬件和内核版本有关 (opens new window)）；
• 栈段，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。当然系统也提供了参数，以便我们自定义大小；

在这 6 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。

malloc() 源码里默认定义了一个阈值，malloc() 分配内存：

• 如果用户分配的内存小于 128 KB，则通过 brk() 系统调用从堆分配内存；
• 如果用户分配的内存大于 128 KB，则通过 mmap()系统调用在文件映射区域分配内存；

malloc() 分配的是虚拟内存。

如果分配后的虚拟内存没有被访问的话，虚拟内存是不会映射到物理内存的，这样就不会占用物理内存了。

只有在访问已分配的虚拟地址空间的时候，操作系统通过查找页表，发现虚拟内存对应的页没有在物理内存中，就会触发缺页中断，然后操作系统会建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。

• malloc 通过 brk() 方式申请的内存，free 释放内存的时候，并不会把内存归还给操作系统，而是缓存在 malloc 的内存池中，待下次使用；
• malloc 通过 mmap() 方式申请的内存，free 释放内存的时候，会把内存归还给操作系统，内存得到真正的释放。

brk() 优缺点：

• malloc 通过 brk() 系统调用在堆空间申请内存的时候，由于堆空间是连续的，所以直接预分配更大的内存来作为内存池（malloc(1) malloc(10) 等实际上都是分配 132kb），当内存释放的时候，就不真正释放而是缓存在内存池中。等下次在申请内存的时候，就直接从内存池取出对应的内存块就行了，而且可能这个内存块的虚拟地址与物理地址的映射关系还存在，这样不仅减少了系统调用的次数（可以直接从内存池取），也减少了缺页中断的次数，这将大大降低 CPU 的消耗。
• 如果我们连续申请了 10k，20k，30k 这三片内存，如果 10k 和 20k 这两片释放了，变为了空闲内存空间，如果下次申请的内存小于 30k，那么就可以重用这个空闲内存空间。但是如果下次申请的内存大于 30k，没有可用的空闲内存空间，必须向 OS 申请，实际使用内存继续增大。因此，随着系统频繁地 malloc 和 free ，尤其对于小块内存，堆内将产生越来越多不可用的碎片，导致“内存泄露”。而这种“泄露”现象使用 valgrind 是无法检测出来的。

malloc() 优缺点：

与 brk() 相对地，

• mmap 分配的内存每次释放的时候，都会归还给操作系统，于是每次 mmap 分配的虚拟地址都是缺页状态的，所以在第一次访问该虚拟地址的时候，就会触发缺页中断。也就是说不仅每次都会发生运行态的切换，还会发生缺页中断（在第一次访问虚拟地址后），这样会导致 CPU 消耗较大。
• 而因为每次 free 都会真正释放内存，没有不可用的内存碎片问题。

free() 函数只传入一个内存地址，为什么能知道要释放多大的内存？

malloc 返回给用户态的内存起始地址比进程的堆空间起始地址多了 16 字节。这个多出来的 16 字节就是保存了该内存块的描述信息，比如有该内存块的大小。

这样当执行 free() 函数时，free 会对传入进来的内存地址向左偏移 16 字节，然后从这个 16 字节的分析出当前的内存块的大小，自然就知道要释放多大的内存了。

内存满了会发生什么？

内核在给应用程序分配物理内存的时候，如果空闲物理内存不够，那么就会进行内存回收的工作，主要有两种方式：

• 后台内存回收：在物理内存紧张的时候，会唤醒 kswapd 内核线程来回收内存，这个回收内存的过程异步的，不会阻塞进程的执行。
• 直接内存回收：如果后台异步回收跟不上进程内存申请的速度，就会开始直接回收，这个回收内存的过程是同步的，会阻塞进程的执行。
• OOM 机制：在经历完直接内存回收后，空闲的物理内存大小依然不够，那么就会触发 OOM 机制，OOM killer 选择一个占用物理内存较高的进程，然后将其杀死，以便释放内存资源。如果物理内存依然不足，OOM Killer 会继续杀死占用物理内存较高的进程，直到释放足够的内存位置。

主要有两类内存可以被回收，而且它们的回收方式也不同。

• 文件页（File-backed Page）：内核缓存的磁盘数据（Buffer）和内核缓存的文件数据（Cache）都叫作文件页。大部分文件页，都可以直接释放内存，以后有需要时，再从磁盘重新读取就可以了。而那些被应用程序修改过，并且暂时还没写入磁盘的数据（也就是脏页），就得先写入磁盘，然后才能进行内存释放。所以，回收干净页的方式是直接释放内存，回收脏页的方式是先写回磁盘后再释放内存。

Swap 就是把一块磁盘空间或者本地文件，当成内存来使用，它包含换出和换入两个过程：

• 换出（Swap Out） ，是把进程暂时不用的内存数据存储到磁盘中，并释放这些数据占用的内存；
• 换入（Swap In），是在进程再次访问这些内存的时候，把它们从磁盘读到内存中来；

文件页和匿名页的回收都是基于 LRU 算法，也就是优先回收不常访问的内存。回收内存的操作基本都会发生磁盘 I/O 的，如果回收内存的操作很频繁，意味着磁盘 I/O 次数会很多，这个过程势必会影响系统的性能。

LRU 回收算法，实际上维护着 active 和 inactive 两个双向链表，其中：

• active_list 活跃内存页链表，这里存放的是最近被访问过（活跃）的内存页；
• inactive_list 不活跃内存页链表，这里存放的是很少被访问（非活跃）的内存页；

针对回收内存导致的性能影响，常见的解决方式。

• 设置 /proc/sys/vm/swappiness，调整文件页和匿名页的回收倾向，尽量倾向于回收文件页；（文件页对于干净页回收是不会发生磁盘 I/O 的，脏页才会发生。因此性能影响相对较小）
• 设置 /proc/sys/vm/min_free_kbytes，调整 kswapd 内核线程异步回收内存的时机；（尽早的触发「后台内存回收」来避免应用程序进行直接内存回收）
• 设置 /proc/sys/vm/zone_reclaim_mode，调整 NUMA 架构下内存回收策略，建议设置为 0，这样在回收本地内存之前，会在其他 Node 寻找空闲内存，从而避免在系统还有很多空闲内存的情况下，因本地 Node 的本地内存不足，发生频繁直接内存回收导致性能下降的问题；
• 可以通过调整进程的 /proc/[pid]/oom_score_adj 值，来降低被 OOM killer 杀掉的概率。

什么条件下才能触发 kswapd 内核线程回收内存呢？

内核定义了三个内存阈值（watermark，也称为水位），用来衡量当前剩余内存（pages_free）是否充裕或者紧张：

• 图中橙色部分：kswapd0 会执行后台异步内存回收，直到剩余内存大于高阈值（pages_high）为止。

• 图中红色部分：说明用户可用内存都耗尽了，此时就会触发直接同步内存回收，这时应用程序就会被阻塞。

min_free_kbytes 虽然设置的是页最小阈值（pages_min），但是页高阈值（pages_high）和页低阈值（pages_low）都是根据页最小阈值（pages_min）计算生成的，它们之间的计算关系如

• pages_min = min_free_kbytes
• pages_low = pages_min*5/4
• pages_high = pages_min*3/2

最终总结：虚拟内存有什么作用？

• 第一，虚拟内存可以使得进程对运行内存超过物理内存大小，因为程序运行符合局部性原理，CPU 访问内存会有很明显的重复访问的倾向性，对于那些没有被经常使用到的内存，我们可以把它换出到物理内存之外，比如硬盘上的 swap 区域。
• 第二，由于每个进程都有自己的页表，所以每个进程的虚拟内存空间就是相互独立的。进程也没有办法访问其他进程的页表，所以这些页表是私有的，这就解决了多进程之间地址冲突的问题。
• 第三，页表里的页表项中除了物理地址之外，还有一些标记属性的比特，比如控制一个页的读写权限，标记该页是否存在等。在内存访问方面，操作系统提供了更好的安全性。