Pengurusan Memori Linux: Memahami Jadual Halaman, Pertukaran, dan Peruntukan Memori

导言

内存管理是现代操作系统中的一个关键方面，它确保系统内存的有效分配和释放。作为一款强大且广泛使用的操作系统，Linux 采用了复杂的技巧来高效地管理内存。理解页面表、交换和内存分配等关键概念对于系统管理员、开发人员以及任何在底层使用 Linux 的人员都至关重要。

本文深入探讨 Linux 内存管理，探索页面表的复杂性、交换的作用以及不同的内存分配机制。阅读完毕后，读者将深入了解 Linux 如何处理内存以及如何优化内存以获得更好的性能。

理解 Linux 页面表

什么是虚拟内存？Linux 与大多数现代操作系统一样，实现了虚拟内存，为进程提供了一个巨大的连续内存空间的错觉。虚拟内存能够高效地进行多任务处理，隔离进程，并访问比物理可用内存更多的内存。虚拟内存的核心机制是页面表，它将虚拟地址映射到物理内存位置。

页面表的工作原理页面表是 Linux 内核用来将虚拟地址转换为物理地址的数据结构。由于内存是以称为页的固定大小块进行管理的（通常大小为 4KB），因此每个进程都维护一个页面表，用于跟踪哪些虚拟页对应哪些物理页。

多级页面表

由于现代计算中的地址空间很大（例如，64 位架构），单级页面表效率低下且会消耗过多的内存。因此，Linux 使用分层的多级页面表方法：

1. 单级页面表（在具有少量内存的旧 32 位系统中使用）
2. 两级页面表（通过将页面表分解成更小的块来提高效率）
3. 三级页面表（在某些架构中用于更好的可扩展性）
4. 四级页面表（现代 64 位 Linux 系统中的标准，将地址分解成更小的部分）

每一级都有助于找到页面表的下一部分，直到最后的条目，其中包含实际的物理地址。

页面表条目 (PTE) 及其组成部分**页面表条目 (PTE)** 包含基本信息，例如：

• 物理页面帧编号。
• 访问控制位（读/写/执行权限）。
• 存在位（指示页面是否在 RAM 中或已交换到磁盘）。
• 脏位（表示页面是否已被修改）。
• 参考位（用于页面置换算法）。

性能注意事项：转换旁路缓冲区 (TLB)由于每次内存访问都遍历多级页面表会很慢，因此现代 CPU 使用称为转换旁路缓冲区 (TLB) 的硬件缓存。TLB 存储最近的虚拟到物理地址转换，通过减少所需的内存访问次数来大幅提高性能。

Linux 中的交换：将内存扩展到物理限制之外

什么是交换？交换是一种机制，当内存不足时，Linux 将不常用的内存页从 RAM 移动到磁盘（交换空间）。此过程允许系统处理超过可用物理内存的工作负载。

交换的工作原理Linux 保留专用的交换空间，它可以是：

• 交换分区（专用于交换的单独磁盘分区）。
• 交换文件（用作交换空间的文件系统上的文件）。

当进程需要的内存超过可用内存时，内核使用页面置换算法来决定要交换出哪些页面。

页面置换算法Linux 使用不同的算法来决定要交换出哪些页面：

• 最近最少使用 (LRU)：最长时间未使用的页面首先被交换。
• 最近未使用 (NRU)：根据页面的访问和修改位对页面进行分类。
• 时钟算法: LRU 的简化版本，可以有效地近似使用情况。

管理交换使用情况**swappiness 参数控制 Linux 交换页面的积极程度。该值范围为0 到 100**：

• 低值（例如，10-20）：尽可能长时间地将页面保留在 RAM 中。
• 高值（例如，60-100）：更积极地进行交换以释放 RAM。

要检查和调整 swappiness：

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

要监控交换使用情况：

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

优化交换性能- 使用快速的 SSD 进行交换存储以减少性能下降。

• 确保有足够的 RAM 以最大限度地减少交换。
• 根据工作负载需求调整swappiness。

Linux 中的内存分配

物理内存与虚拟内存分配Linux 将内存分为三个区域：

• DMA（直接内存访问）: 为需要直接内存访问的硬件保留。
• 普通区域: 内核和用户进程可用的内存。
• 高内存: 当物理内存超过直接可寻址范围时使用。

内核内存分配机制1. 伙伴系统: 以 2 的幂次方块分配内存以减少碎片。 2. Slab 分配器: 有效地管理频繁分配/释放的小对象。 3. SLOB 和 SLUB 分配器: 为不同的工作负载优化的替代分配策略。

用户空间内存分配- malloc()：在用户空间分配内存。

• brk() & sbrk()：调整进程堆大小。
• mmap()：直接从内核分配大型内存区域。

处理内存不足 (OOM) 情况当内存耗尽时，Linux OOM Killer 会选择并终止进程以释放 RAM。可以通过以下方式检查日志：

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

实用见解和最佳实践

监控内存使用情况- 使用 top 和 htop 进行实时监控。

• 使用 free -m 获取内存统计信息。
• 使用 /proc/meminfo 获取详细信息。
• 使用 pmap 获取特定进程的内存映射。

优化内存性能- 调整swappiness 以平衡 RAM 和交换使用情况。

• 使用内存 cgroup 来限制进程的内存消耗。
• 使用巨页进行大型内存分配。
• 优化应用程序内存占用以防止过度交换。

结论

理解 Linux 内存管理——页面表、交换和内存分配——使系统管理员和开发人员能够有效地优化性能和排除问题。通过监控、调整和增强内存处理的工具和技术，Linux 仍然是各种工作负载的强大而灵活的操作系统。

通过掌握这些概念，您可以确保您的系统高效运行并在内存限制下良好响应，从而提高整体性能和可靠性。

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