Linuxメモリ管理：ページテーブル、スワッピング、およびメモリの割り当ての理解

導入

メモリ管理は、最新のオペレーティングシステムの重要な側面であり、システムメモリの効率的な割り当てとリリースを確保しています。強力で広く使用されているオペレーティングシステムとして、Linuxは洗練されたテクニックを使用してメモリを効率的に管理します。ページテーブル、スワップ、メモリの割り当てなどの重要な概念を理解することは、システム管理者、開発者、および下部にLinuxを使用している人にとって重要です。

この記事では、Linuxメモリ管理を詳細に説明し、ページテーブルの複雑さ、交換の役割、およびさまざまなメモリ割り当てメカニズムについて説明します。読んだ後、読者はLinuxがどのようにメモリを処理するか、そしてより良いパフォーマンスのためにメモリを最適化する方法についての洞察を得ます。

Linuxページテーブルを理解します

仮想メモリとは何ですか？ほとんどの最新のオペレーティングシステムと同様に、Linuxは仮想メモリを実装し、プロセスに巨大な連続メモリスペースの幻想を提供します。仮想メモリは、物理的に利用可能なメモリよりも、プロセスを分離し、プロセスを分離し、より多くのメモリにアクセスすることができます。仮想メモリのコアメカニズムはページテーブルです。ページテーブルは、仮想アドレスを物理メモリの位置にマップします。

ページテーブルの動作方法ページテーブルは、Linuxカーネルが使用するデータ構造であり、仮想アドレスを物理アドレスに変換します。メモリはページと呼ばれる固定サイズブロ​​ック（通常は4kb）で管理されているため、各プロセスには、どの仮想ページがどの物理ページに対応するかを追跡するページテーブルが維持されます。

マルチレベルのページテーブル

最新のコンピューティング（たとえば、64ビットアーキテクチャなど）のアドレススペースが大きいため、単一レベルのページテーブルは非効率的で、メモリが多すぎます。したがって、Linuxは階層的なマルチレベルページテーブルメソッドを使用します。

1. 単一レベルのページテーブル（少量のメモリを備えた古い32ビットシステムで使用）
2. 2レベルのページテーブル（ページテーブルを小さなチャンクに壊すことで効率を向上させる）
3. レベル3ページテーブル（一部のアーキテクチャでのスケーラビリティを向上させるため）
4. レベル4ページテーブル（アドレスをより小さな部品に分割する最新の64ビットLinuxシステムの標準）

各レベルは、実際の物理アドレスを含む最後のエントリまで、ページテーブルの次の部分を見つけるのに役立ちます。

ページテーブルエントリ（PTE）とそのコンポーネント*ページテーブルエントリ（PTE）**には、次のような基本情報が含まれています。

• 物理ページフレーム番号。
• アクセス制御ビット（読み取り/書き込み/実行許可）。
• 少し存在します（ページがRAMに含まれているか、ディスクに交換されているかを示します）。
• ダーティ（ページが変更されたかどうかを示します）。
• 参照ビット（ページ順列アルゴリズムの場合）。

パフォーマンス注：バイパスバッファー（TLB）を変換すると、すべてのメモリアクセス、最新のCPUはバイパスバッファー（TLB）と呼ばれるハードウェアキャッシュを使用するのが遅いためです。 TLBは、最近の仮想から物理的なアドレス翻訳を保存し、必要なメモリアクセスの数を減らすことでパフォーマンスを大幅に改善します。

Linuxのスワップ：物理的な制限を超えてメモリを拡張します

交換とは何ですか？スワップは、メモリが不十分な場合にLinuxがRAMからディスク（スワップスペース）にまれに使用されるメモリページを動かすメカニズムです。このプロセスにより、システムは利用可能な物理メモリを超えるワークロードを処理できます。

スワップの動作方法Linuxは専用のスワップスペースを埋めます。

• スワップパーティション（スワップ専用の個別のディスクパーティション）。
• ファイル（スワップスペースとして使用されるファイルシステム上のファイル）。

プロセスが使用可能よりも多くのメモリを必要とする場合、カーネルはページ順列アルゴリズムを使用して、スワップアウトするページを決定します。

ページ順列アルゴリズムLinuxは、さまざまなアルゴリズムを使用して、どのページを交換するかを決定します。

• 最近使用されていない（LRU） ：最長の未使用ページが最初に交換されます。
• 最近使用されていない（NRU） ：ページアクセスと変更ビットに基づいてページを分類します。
• クロックアルゴリズム：使用率を効果的に近似できるLRUの単純化バージョン。

Exchangeの使用を管理** SwappinessパラメーターLinux Exchangeページの積極性を制御します。この値の範囲は0〜100 **：

• 低い値（たとえば、10-20）：ページをできるだけ長くRAMに保持します。
• 高い値（例：60-100）：より積極的にRAMを放出します。

swappinessを確認して調整するには：

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

交換の使用を監視するには：

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

スイッチングパフォーマンスの最適化- スワップストレージに高速SSDを使用して、パフォーマンスの劣化を減らします。

• スワップを最小限に抑えるのに十分なRAMがあることを確認してください。
• ワークロード要件に従ってスワッピネスを調整します。

Linuxでのメモリ割り当て

物理メモリと仮想メモリ割り当てLinuxは、メモリを3つの領域に分割します。

• DMA（直接メモリアクセス） ：直接メモリアクセスが必要なハードウェア用に予約されています。
• 通常の領域：カーネルとユーザープロセスで利用可能なメモリ。
• ハイメモリ：物理メモリが直接アドレス指定可能な範囲を超えると使用されます。

カーネルメモリ割り当てメカニズム1。パートナーシステム：2つのブロックの電源でメモリを割り当てて、断片化を減らします。 2。スラブアロケーター：頻繁に割り当てられ/リリースされる小さなオブジェクトを効果的に管理します。 3。SLOBおよびSLUBアロケーター：さまざまなワークロードに最適化された代替割り当て戦略。

ユーザースペースメモリの割り当て-Malloc（）：ユーザースペースにメモリを割り当てます。

• brk（）＆sbrk（）：プロセスヒープのサイズを変更します。
• MMAP（）：カーネルから直接大きなメモリ領域を割り当てます。

メモリ（OOM）の状況からの取り扱いメモリが使い果たされると、Linux OOM KillerはRAMを解放するプロセスを選択して終了します。ログは以下で確認できます。

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

実用的な洞察とベストプラクティス

メモリの使用量を監視- リアルタイムの監視には、上部とHTOPを使用します。

• 無料-Mを使用してメモリ統計を取得します。
• /proc /meminfoを使用して詳細情報を取得します。
• PMAPを使用して、特定のプロセスのメモリマップを取得します。

メモリパフォーマンスの最適化-スワッピネスを調整して、RAMとスワップの使用をバランスさせます。

• メモリcgroupsを使用して、プロセスのメモリ消費を制限します。
• 大きなメモリ割り当てには巨大なページを使用します。
• オーバースワップを防ぐために、アプリケーションメモリフットプリントを最適化します。

結論は

Linuxメモリ管理の理解 - ページテーブル、スワップ、およびメモリの割り当て - システム管理者と開発者がパフォーマンスを効果的に最適化し、問題をトラブルシューティングすることを可能にします。 Linuxは、メモリ処理を監視、調整、強化するツールとテクノロジーを通じて、さまざまなワークロードの強力で柔軟なオペレーティングシステムのままです。

これらの概念を習得することにより、システムが効率的に実行され、メモリの制約の下でよく応答し、全体的なパフォーマンスと信頼性を向上させることができます。

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