Linux 메모리 관리를 마스터하고 프로그램 성능을 향상시키세요!

Linux는 서버 및 임베디드 장치에 널리 사용되는 운영 체제로서 점점 더 많은 시장 점유율을 차지하고 있습니다. 이러한 시나리오에서 메모리 관리는 특히 프로그래머의 시스템 성능과 안정성에 직접적인 영향을 미치기 때문에 매우 중요합니다. Linux 플랫폼에서 고성능 애플리케이션을 개발하려는 프로그래머에게는 Linux 메모리 관리에 대한 숙련도가 필수입니다. 오늘 우리는 모든 프로그래머가 읽어야 할 기사인 Linux 메모리 관리를 소개하겠습니다.
메모리 부분에 대해 알아야 할 사항:

1. 주소 매핑
2. 메모리 관리 방법
3. 누락된 페이지 예외

먼저 몇 가지 기본 지식을 살펴보겠습니다. 프로세스의 관점에서 메모리는 커널 모드와 사용자 모드의 두 부분으로 나뉩니다.

사용자 모드에서 커널 모드로 가는 것은 일반적으로 시스템 호출과 인터럽트를 통해 이루어집니다. 사용자 모드 메모리는 다양한 목적에 따라 여러 영역으로 구분됩니다.

물론 커널 모드를 무분별하게 사용하지는 않을 것이므로 다음과 같이 나누어집니다.

이러한 추억이 어떻게 관리되는지 자세히 살펴보겠습니다.

주소

Linux에서 주소 매핑 과정은 논리 주소 –> 선형 주소 –> 물리적 주소입니다. 물리적 주소는 주소 버스에서 전송되는 디지털 신호인 반면 선형 주소와 논리 주소는 선형 주소 규칙을 나타냅니다.

이 부분은 메인 레지스터 CR0 및 CR3을 포함하는 MMU에 의해 완료됩니다. 기계어 명령어에 나타나는 것은 논리 주소이며, 논리 주소 규칙은 다음과 같습니다.

Linux의 논리 주소는 선형 주소와 동일합니다. 즉 Inter는 호환성을 위해 일을 매우 복잡하게 만들고 Linux는 게으르게 단순화합니다.

메모리 관리 방법

시스템이 부팅되면 메모리의 크기와 상태를 감지합니다. 복잡한 구조를 구축하기 전에 이러한 메모리를 간단한 방법으로 관리해야 합니다. 이는 단순한 비트맵이지만 몇 가지 최적화도 있습니다. 그 안에.

bootmem이 아무리 최적화되어도 효율성은 높지 않습니다. 결국 메모리를 할당할 때 이를 통과해야 합니다. 버디 시스템은 이 문제를 해결할 수 있습니다. 내부적으로 2개의 크기로 일부 여유 메모리 조각을 저장합니다. 3개의 페이지를 할당하려면 4개의 페이지 목록으로 이동하여 하나를 선택하고 3개를 할당한 다음 나머지 1개를 다시 넣으십시오. 메모리 해제 과정은 역순입니다. 그림을 사용하여 표현하세요:

0, 4, 5, 6, 7이 모두 사용중인 것을 볼 수 있는데 그럼 1과 2가 출시되면 합쳐지겠죠?

으아악

위 코드를 보면 알 수 있듯이 0과 1은 친구이고, 1과 2는 인접해 있지만 그렇지 않습니다. 메모리 조각화는 시스템 작동의 적입니다. 버디 시스템 메커니즘은 조각화를 어느 정도 방지할 수 있으며, cat /proc/buddyinfo를 통해 각 순서의 사용 가능한 페이지 수를 얻을 수 있습니다.

파트너 시스템이 메모리를 할당할 때마다 페이지 단위(4KB)로 할당되는데, 시스템이 실행될 때 사용되는 대부분의 데이터 구조는 매우 작습니다. 작은 개체에 4KB를 할당하는 것은 분명 비용 효율적이지 않습니다. Linux에서 slab을 사용하여 작은 개체 할당을 해결하세요.

실행할 때 일부 메모리를 친구에게 "도매"하고 가공하고 조각으로 잘라서 대량으로 "판매"합니다. 대규모 다중 프로세서 시스템과 NUMA 시스템이 널리 적용되면서 slab은 마침내 다음과 같은 단점을 드러냈습니다.

1. 복잡한 대기열 관리
2. 데이터 및 대기열 저장소 관리에는 비용이 많이 듭니다
3. 장기 실행 부분 큐는 매우 길 수 있습니다
4. NUMA 지원은 매우 복잡합니다

이러한 문제를 해결하기 위해 전문가들은 슬랩을 개발했습니다. 페이지 구조를 수정하여 슬래브 관리 구조의 오버헤드를 줄이고, 각 CPU에는 로컬 활성 슬랩(kmem_cache_cpu)을 두는 등의 작업을 수행했습니다. 소규모 임베디드 시스템의 경우 슬래브 시뮬레이션 레이어 슬롭이 있는데, 이는 이러한 시스템에서 더 많은 장점을 가지고 있습니다.

小内存的问题算是解决了，但还有一个大内存的问题：用伙伴系统分配10 x 4KB的数据时，会去16 x 4KB的空闲列表里面去找（这样得到的物理内存是连续的），但很有可能系统里面有内存，但是伙伴系统分配不出来，因为他们被分割成小的片段。那么，vmalloc就是要用这些碎片来拼凑出一个大内存，相当于收集一些“边角料”，组装成一个成品后“出售”：

之前的内存都是直接映射的，第一次感觉到页式管理的存在:D 另外对于高端内存，提供了kmap方法为page分配一个线性地址。

进程由不同长度的段组成：代码段、动态库的代码、全局变量和动态产生数据的堆、栈等，在Linux中为每个进程管理了一套虚拟地址空间：

在我们写代码malloc完以后，并没有马上占用那么大的物理内存，而仅仅是维护上面的虚拟地址空间而已，只有在真正需要的时候才分配物理内存，这就是COW（COPY-ON-WRITE:写时复制）技术，而物理分配的过程就是最复杂的缺页异常处理环节了，下面来看!

缺页异常

在实际需要某个虚拟内存区域的数据之前，和物理内存之间的映射关系不会建立。如果进程访问的虚拟地址空间部分尚未与页帧关联，处理器自动引发一个缺页异常。在内核处理缺页异常时可以拿到的信息如下：

1. cr2：访问到线性地址
2. err_code：异常发生时由控制单元压入栈中，表示发生异常的原因
3. regs：发生异常时寄存器的值

处理的流程如下：

发生缺页异常的时候，可能因为不常使用而被swap到磁盘上了，swap相关的命令如下：

swapon                        开启swap
swapoff                       关闭swap
/proc/sys/vm/swapiness        分值越大越积极使用swap，可以修改/etc/sysctl.conf中添加vm.swappiness=xx[1-100]来修改

如果内存是mmap映射到内存中的，那么在读、写对应内存的时候也会产生缺页异常。

在Linux中，内存管理是一个复杂的主题，但是如果程序员能够理解并充分利用它，他们可以极大地提高他们的程序的性能和可靠性。在本文中，我们介绍了Linux内存管理的基本知识、虚拟内存的概念、内存映射文件以及交换空间等。此外，我们还介绍了一些有助于程序员优化内存使用的技巧和工具。现在，不要再让程序的性能拖慢了你的项目，去掌握Linux内存管理吧！

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