linux的内存管理介绍

发表于 2015-07-08 更新于 2024-10-27 分类于 Linux 阅读次数：本文字数： 11k 阅读时长 ≈ 10 分钟

内存方面的知识真是博大精深，把一些看到的零碎的知识点做个笔记总结下。

这些知识只是自己的理解，并不能保证正确，ULK和《深入理解Linux虚拟内存管理》这两本书看完以后还会来更新这篇的内容。

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段式管理与页式管理

在操作系统理论中

段式管理就是将内存分成段，段的大小不是固定的。虚拟地址被分为段号和段内地址，根据段表查到段号对应的起始地址，将起始地址和段内地址相加即为物理地址。

页式管理就是将内存分成页，页的大小都是固定的。虚拟地址被分为页号和页内地址，根据页表查到页号对应的页面号，将页面号对应起始地址和页内地址相加即为物理地址。

为什么有段页管理呢，为什么有虚拟地址呢

内存管理的发展是和硬件发展挂钩的，在x86王朝之前内存寻址都是绝对寻址，地址都是物理地址。直到8086产生以后，这一款16位的处理器被设计为可以访问1MB的内存（20位的地址空间）。因此，段被引入来解决地址总线的宽度一般要大于寄存器的宽度的问题。

最开始的分段寻址，简单的说就是用两个16位数据来表示地址空间。第一个地址相当于段号，第二个地址相当于段内地址，简单的把段号左移四位然后与段内地址相加得到的就是物理地址。这就是实模式。

到286系列开始，它使用保护模式，使用MMU这个硬件来对两个16位数据进行转换和检查，从而得到一个物理地址。MMU相当于硬件维护的段表了。

但是段式管理的引入并没有解决小内存运行大作业的问题。

于是页式管理登场了，页式管理的思想是同一时间并不是所有的地址都是活跃的，把活跃的页面保留在内存中，如果空间不够，将不活跃的页面换出内存即可。

例如，linux下将内存和硬盘分为4KB大小的页，一个程序运行时只加载硬盘中头几个4KB大小的页，即使这个程序的虚拟地址有几个G，在最初的时候也只是维护那么几十K的内容。而后这个程序访问到的虚拟地址带了一个无效的页面号，那么将报出一个页面错误。而后系统将从硬盘中读取这个虚拟地址在硬盘中对应的页。假如根据页面分配算法得到此时内存全满的信息，那么就会根据页面置换算法将不活跃的页面换出内存，然后将这个页写入内存。

当然，实际上这个过程是相当复杂的。每一步都是有软件和硬件的多层cache来保证效率的。另外，当页面被换出时，如果页面没被修改，那么简单的丢弃，下次再从内存加载即可，否则，那么这个页面叫做脏页，只能被换出到磁盘的swap分区。等待后续被换入。

小结：

1 段的大小不是固定，而页的大小是固定的，相对段来说非常小，因此页表会很大，需要由操作系统来维护，段表则可以由硬件（MMU）维护。

2 段式管理为了解决地址总线的宽度一般要大于寄存器的宽度的问题

3 页式管理为了解决小内存运行大作业的问题

linux下的段页式管理

严格的来说linux下是段页式内存管理，虚拟地址映射为物理地址时，先确定段号，段内分页，再找页号，通过页表最终计算得到实际的物理地址。

linux将内存分为内核代码段，内核数据段，用户代码段，用户数据段，TSS 段和默认LDT段等，但是这些段的起始地址都为0，因此linux实际上是页式管理。

这么实现是因为例如RISC下的CPU架构，并没有支持段表的硬件，所以这么做兼容性更好。

linux实际的页式管理采用了三级页表来实现。包括：

页全局目录 (Page Global Directory,pgd)，页中间目录 (Page Middle Directory,pmd)，页表条目 (Page Table Entry,pte)

在32位系统上，是pmd,pte两级页表，10位的pmd,10位的pte以及12位的offset，也就是2^10 * 2^10 * 2^12 = 4GB

在64位系统上，则是pgd,pmd,pte三级页表，10位的pgd,10位的pmd，10位的pte以及13位的offset，另外21位无效，有效内存即为2^43 = 8TB

linux下的内存分布

由于linux被设计用于支持一些分布式的架构场景，这种场景下linux集群由多台计算机构成，这些计算机的内存通过高速网络互联，每台计算机可以通过网络访问非本地内存。

每台计算机的内存叫做一个内存节点，一般的单机情况下只有一个内存节点。

我们来看看内存节点的下一级是什么。

在经典的32位系统中，节点被分为不同区域(zone)，各自对应着物理内存的地址，区域分为以下类型：

ZONE_DMA（0-16MB）：一些特殊低端物理内存需要区域，主要是供一些外设使用，外设和内存直接访问数据访问，而无需系统CPU的参与。

ZONE_NORMAL（16-896MB）：由内核直接映射到高端范围的物理内存的内存范围。

ZONE_HIGHMEM（896MB以及更高的内存）：系统中内核不能直接映射的物理内存

在实际的内存分配中，按照ZONE_NORMAL、ZONE_HIGHMEM 和 ZONE_DMA的顺序依次进行分配，如果分配失败才会转入下一级。

在64位系统中，区域被分为ZONE_DMA(0-16MB),ZONE_DMA32(16MB-4GB),ZONE_NORMAL(4GB以及更高内存)

32位下内核的虚拟地址空间是0xc0000000到0xffffffff，也就是3G-4G，另外为了操作系统的稳定性和性能考虑，这部分虚拟地址装载入内存后，永远不会被转出到磁盘上。

内核使用的3G - 3G+896MB的虚拟地址会直接映射到DMA和NORMAL的物理内存区域，而剩余的128MB（3G+896MB - 4G）会通过页表映射到任何可用的物理地址区域。

这就是为什么highmem存在的原因之一了，对32位来说，如果没有highmem，那么内核的1G的虚拟地址空间无法映射到整个4G的物理地址。对64位的系统而言，内核地址空间远大于4G，不需要highmem

highmem存在的另外一个原因是PAE能让32位下4G的虚拟地址空间管理大于4G的物理内存，896MB以及更高内存（最高到64GB）的空间都由highmem来标识。

这里有张图是用户空间的虚拟地址的实际分布情况：

--------------------------------------- 0xffffffff
kernel space
user code CANNOT read or write here
otherwise results in Segmentation falut
--------------------------------------- 0xc0000000
                                       
                                        random stack offset

---------------------------------------     -
        stack (grows down)                  |
              ||                            |
              \/
--------------------------------------- RLIMIT_STACK(e.g.,8MB)
        for stack grows                     |
---------------------------------------     -

                                        random mmap offset

---------------------------------------
        memory mapping segment
file mappings and anonymous mappings
        (e.g.,/lib/lib.so)
              ||
              \/
---------------------------------------


--------------------------------------- program break brk
              /\
              ||
        heap(grows up)
--------------------------------------- start_brk

                                        random brk offset

---------------------------------------
        bss segment
uninit static varrables, filled with
zeros,(e.g.,static int i)
---------------------------------------
        data segment
static variables init by the programmer
(e.g.,static int i = 1
---------------------------------------
        text segment
stores the binary image of the process
---------------------------------------0x08048000

---------------------------------------0x00000000
```  

**bss segment**:

保存未初始化的全局变量

在可执行程序中仅记录符号名和所占空间大小，仅占极少空间

系统加载时将其分配到一块已初始化为0的bss数据区

**data segment**:

保存已初始化的全局变量

在可执行程序中占据大量空间，记录了其初始化的值

系统加载时为其加载初始值

**text segment**：

保存二进制代码

data和bss又称作全局数据区

一般用size指令能打印出bss,data和text的大小

然而ELF的文件格式下还有一些其他内容

```c
Segment header table
text seg:
.init 初始化段
.text 代码段
.rodata 只读数据(常量等)

data seq:
.data 可读写数据(全局变量等)

bss seq:
.bss 未初始化数据

可以不必加载的seg:
.symtab 符号表
.debug 调试信息
.line 指令和源文件行对应
.strtab 符号字符串实际存放处
```  


## 内存相关的一些工具

**free**

查看内存使用情况最常用的手段就是free -m了

```c
free -m
             total       used       free     shared    buffers     cached
Mem:          7872       7708        163          0       1618       4987
```  

可以看到这里free空间非常小，这是因为这是一台文件存储服务器，大部分内存被用来放入buffers和cached

实际的空闲内存是free + buffers + cached

free -m的信息来自于/proc/meminfo

参考linux文档[proc info](https://www.kernel.org/doc/Documentation/filesystems/proc.txt)来做分析

```c
MemTotal:        8061012 kB  总共可用的RAM，（物理内存减去预留位和内核二进制代码大小）
MemFree:          165888 kB  LowFree+HighFree的总和
Buffers:         1656944 kB  暂存磁盘块，不应该非常大
Cached:          5107180 kB  用来给文件从磁盘中读取做cache，不包括swapcahed
SwapCached:            0 kB  已经被换出的内存，但仍然被存放在swapfile中，用来在需要的时候很快换入页面而不用再次IO
Active:          4940852 kB  最近经常被使用的内存，除非非常重要否则不会被回收
Inactive:        2090628 kB  最近不常被使用的内存，非常有可能被回收做其他用途
Active(anon):      88332 kB  anon是匿名内存，例如malloc
Inactive(anon):   179188 kB
Active(file):    4852520 kB  file是文件内存
Inactive(file):  1911440 kB
Unevictable:           0 kB
Mlocked:               0 kB
SwapTotal:       2097144 kB  交换区总大小
SwapFree:        2097144 kB  交换区剩余大小
Dirty:                28 kB  等待从内存写回交换区磁盘的脏页
Writeback:             0 kB  正在从内存写回交换区磁盘的页
AnonPages:        267364 kB  Non-file backed pages mapped into userspace page tables
Mapped:            19068 kB  已经被mmap映射的文件，例如动态库
Shmem:               164 kB
Slab:             790312 kB  内核数据结构缓存
SReclaimable:     753132 kB  slab的部分，必须被回收，例如缓存
SUnreclaim:        37180 kB  slab的部分，on memory pressure不能被回收
KernelStack:        2960 kB  
PageTables:         4420 kB  内存用户页表的最低总量
NFS_Unstable:          0 kB  
Bounce:                0 kB  用作"bounce buffers"阻塞设备的内存
WritebackTmp:          0 kB  Memory used by FUSE for temporary writeback buffers
CommitLimit:     6127648 kB
Committed_AS:     514308 kB
VmallocTotal:   34359738367 kB vmalloc能映射的内存
VmallocUsed:      288992 kB  vmalloc已经使用的内存
VmallocChunk:   34359446648 kB 最大一个vmalloc能用的空闲块
HardwareCorrupted:     0 kB
AnonHugePages:    192512 kB
HugePages_Total:       0
HugePages_Free:        0
HugePages_Rsvd:        0
HugePages_Surp:        0
Hugepagesize:       2048 kB
DirectMap4k:       10240 kB
DirectMap2M:     8378368 kB

这里还有两篇利于理解free -m输出信息的文章，实际上两篇讲的都差不多，看一篇即可

Linux Used内存到底哪里去了？

也看linux内存去哪儿了

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free -m主要是看整体情况

而top能显示单个进程的VIRT(虚拟内存)，RES(实际驻留内存)，SHR(共享内存)的情况，这些信息来自于/proc/(pid)/statm文件(文件中都是页面数，乘以4KB就是TOP中的值)

根据前面讨论的linux下个页面管理方式，一个进程并不会全部调入内存，因此RES指的实际的物理内存开销，而SHR指的多个进程之间共享使用的页面。

这里的VIRT和RES都是没问题的，但是SHR却并不一定是共享内存的实际占用情况

在内核的task_statm函数能看到，SHR是mm->file_rss，SHR这是一种指示性表述，并不是指一定是共享内存的大小。

1 程序的代码段。

2 动态库的代码段。

3 通过mmap做的文件映射。

4 通过mmap做的匿名映射，但指明了MAP_SHARED属性。

5 通过shmget申请的共享内存。

这些都是有可能被计入SHR字段的。

当某个动态库只有一个进程使用时，他被记入了SHR，其实他是独占的。另外当进程fork出子进程以后，由于copy on write机制，在页面修改前，其实他是共享的，但是并没有被记入在SHR字段。

那么如何准确统计一个进程的共享内存和独占内存呢？

/proc/(pid)/smaps文件能给我们准确的答案。

内核对smaps的生成时，将一个页面被映射两次以上时，记入share_，否则记入private_(脏页记入*_dirty,否则记入*_clean)

所以所有share_的总和就是进程准确的共享内存总量，private_的总和就是进程准确的独占内存总量

这里有个前辈的脚本可以进行统计

#! /bin/bash
 
awk '
{
     pflag = 0
     if(NF>3)
     {
         if($2 ~ /[a-z-][a-z-][a-z-][p]/)
         {
              pflag = 1
         }
         else
         {
              pflag = 0
         }
         file = $6
     }
     while(getline)
     {
         if(NF > 3 && pflag)
         {
              pmap[NR] = vmsize" kb\t"prssc" kb\t"prssd" kb\t"file
              if($2 ~ /[a-z-][a-z-][a-z-][p]/)
              {
                   pflag = 1
              }
              else
              {
                   pflag = 0
              }
              file = $6
              continue
         }
         if(NF > 3 && !pflag)
         {
              smap[NR] = vmsize" kb\t"srssc" kb\t"srssd" kb\t"file
              if($2 ~ /[a-z-][a-z-][a-z-][p]/)
              {
                   pflag = 1
              }
              else
              {
                   pflag = 0
              }
              file = $6
              continue
         }
         if($1 ~ /^Size/)
         {
              VMSIZE += $2
              vmsize = $2
         }
         if($1 ~ /Rss/)
         {
              RSS += $2;
         }
         if($1 ~ /Shared_Clean/)
         {
              shared += $2
              srssc = $2
         }
         if($1 ~ /Shared_Dirty/)
         {
              shared += $2
              srssd = $2
         }
         if($1 ~ /Private_Clean/)
         {
              pclean += $2
              prssc = $2
             
         }
         if($1 ~ /Private_Dirty/)
         {
              pdirty += $2
              prssd = $2
         }
         if($1 ~ /^Swap/)
         {
              swap += $2
         }
        
     }
     if(pflag)
     {
              pmap[NF] = vmsize" kb\t"prssc" kb\t"prssd" kb\t"file
     }
     else
     {
              smap[NF] = vmsize" kb\t"srssc" kb\t"srssd" kb\t"file
     }
}
END{
     print "SWAP:\t"swap" kb"
     print "VMSIZE:\t"VMSIZE" kb"
     print "RSS:\t"RSS" kb \ttotal"
     print "\t"shared" kb \tshared"
     print "\t"pclean" kb \tprivate clean"
     print "\t"pdirty" kb \tprivate dirty"
     print "PRIVATE MAPPINGS"
     print "\tvmsize\trss clean\trss dirty\tfile"
     for(i in pmap)
     {
         print "\t"pmap[i]
     }
    
     print "SHARED MAPPINGS"
     print "\tvmsize\trss clean\trss dirty\tfile"
     for(i in smap)
     {
         print "\t"smap[i]
     }
     }' "/proc/$1/smaps"

例如查看init进程./smem.sh 1

SWAP:   0 kb
VMSIZE: 19236 kb
RSS:    1568 kb         total
        1032 kb         shared
        240 kb  private clean
        296 kb  private dirty

这里虚拟内存总量19236KB，实际驻留内存1568KB，其中共享内存1032KB，独占内存536KB

1 2	PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND 1 root 20 0 19232 1568 1272 S 0.0 0.0 0:00.77 init

TOP的VIRT和RES能对上，而SHR就偏大了

另外/proc/(pid)/smaps毕竟信息太多了，如果只是想看看有哪些内存占用，可以用pmap (pid)指令

pmap 1   
1:   /sbin/init
00007f53eda00000     48K r-x--  /lib64/libnss_files-2.12.so
00007f53eda0c000   2048K -----  /lib64/libnss_files-2.12.so
00007f53edc0c000      4K r----  /lib64/libnss_files-2.12.so
00007f53edc0d000      4K rw---  /lib64/libnss_files-2.12.so
00007f53edc0e000   1576K r-x--  /lib64/libc-2.12.so
00007f53edd98000   2048K -----  /lib64/libc-2.12.so
00007f53edf98000     16K r----  /lib64/libc-2.12.so
00007f53edf9c000      4K rw---  /lib64/libc-2.12.so
00007f53edf9d000     20K rw---    [ anon ]
00007f53edfa2000     88K r-x--  /lib64/libgcc_s-4.4.7-20120601.so.1
00007f53edfb8000   2044K -----  /lib64/libgcc_s-4.4.7-20120601.so.1
00007f53ee1b7000      4K rw---  /lib64/libgcc_s-4.4.7-20120601.so.1
00007f53ee1b8000     28K r-x--  /lib64/librt-2.12.so
00007f53ee1bf000   2044K -----  /lib64/librt-2.12.so
00007f53ee3be000      4K r----  /lib64/librt-2.12.so
00007f53ee3bf000      4K rw---  /lib64/librt-2.12.so
00007f53ee3c0000     92K r-x--  /lib64/libpthread-2.12.so
00007f53ee3d7000   2048K -----  /lib64/libpthread-2.12.so
00007f53ee5d7000      4K r----  /lib64/libpthread-2.12.so
00007f53ee5d8000      4K rw---  /lib64/libpthread-2.12.so
00007f53ee5d9000     16K rw---    [ anon ]
00007f53ee5dd000    256K r-x--  /lib64/libdbus-1.so.3.4.0
00007f53ee61d000   2044K -----  /lib64/libdbus-1.so.3.4.0
00007f53ee81c000      4K r----  /lib64/libdbus-1.so.3.4.0
00007f53ee81d000      4K rw---  /lib64/libdbus-1.so.3.4.0
00007f53ee81e000     36K r-x--  /lib64/libnih-dbus.so.1.0.0
00007f53ee827000   2044K -----  /lib64/libnih-dbus.so.1.0.0
00007f53eea26000      4K r----  /lib64/libnih-dbus.so.1.0.0
00007f53eea27000      4K rw---  /lib64/libnih-dbus.so.1.0.0
00007f53eea28000     96K r-x--  /lib64/libnih.so.1.0.0
00007f53eea40000   2044K -----  /lib64/libnih.so.1.0.0
00007f53eec3f000      4K r----  /lib64/libnih.so.1.0.0
00007f53eec40000      4K rw---  /lib64/libnih.so.1.0.0
00007f53eec41000    128K r-x--  /lib64/ld-2.12.so
00007f53eee51000     20K rw---    [ anon ]
00007f53eee5f000      4K rw---    [ anon ]
00007f53eee60000      4K r----  /lib64/ld-2.12.so
00007f53eee61000      4K rw---  /lib64/ld-2.12.so
00007f53eee62000      4K rw---    [ anon ]
00007f53eee63000    140K r-x--  /sbin/init
00007f53ef085000      8K r----  /sbin/init
00007f53ef087000      4K rw---  /sbin/init
00007f53f102d000    132K rw---    [ anon ]
00007fff9965c000     84K rw---    [ stack ]
00007fff996c8000      4K r-x--    [ anon ]
ffffffffff600000      4K r-x--    [ anon ]
 total            19232K

这里能看到共享的动态库，和栈stack，另外anon是指的类似malloc这样的匿名页面

段式管理与页式管理

linux下的段页式管理

linux下的内存分布

未完待续