Linux內存管理：了解頁面表，交換和內存分配

導言

內存管理是現代操作系統中的一個關鍵方面，它確保系統內存的有效分配和釋放。作為一款強大且廣泛使用的操作系統，Linux 採用了複雜的技巧來高效地管理內存。理解頁面表、交換和內存分配等關鍵概念對於系統管理員、開發人員以及任何在底層使用Linux 的人員都至關重要。

本文深入探討Linux 內存管理，探索頁面表的複雜性、交換的作用以及不同的內存分配機制。閱讀完畢後，讀者將深入了解Linux 如何處理內存以及如何優化內存以獲得更好的性能。

理解Linux 頁面表

什麼是虛擬內存？ Linux 與大多數現代操作系統一樣，實現了虛擬內存，為進程提供了一個巨大的連續內存空間的錯覺。虛擬內存能夠高效地進行多任務處理，隔離進程，並訪問比物理可用內存更多的內存。虛擬內存的核心機制是頁面表，它將虛擬地址映射到物理內存位置。

頁面表的工作原理頁面表是Linux 內核用來將虛擬地址轉換為物理地址的數據結構。由於內存是以稱為頁的固定大小塊進行管理的（通常大小為4KB），因此每個進程都維護一個頁面表，用於跟踪哪些虛擬頁對應哪些物理頁。

多級頁面表

由於現代計算中的地址空間很大（例如，64 位架構），單級頁面表效率低下且會消耗過多的內存。因此，Linux 使用分層的多級頁面表方法：

1. 單級頁面表（在具有少量內存的舊32 位系統中使用）
2. 兩級頁面表（通過將頁面表分解成更小的塊來提高效率）
3. 三級頁面表（在某些架構中用於更好的可擴展性）
4. 四級頁面表（現代64 位Linux 系統中的標準，將地址分解成更小的部分）

每一級都有助於找到頁面表的下一部分，直到最後的條目，其中包含實際的物理地址。

頁面表條目(PTE) 及其組成部分**頁面表條目(PTE)** 包含基本信息，例如：

• 物理頁面幀編號。
• 訪問控制位（讀/寫/執行權限）。
• 存在位（指示頁面是否在RAM 中或已交換到磁盤）。
• 臟位（表示頁面是否已被修改）。
• 參考位（用於頁面置換算法）。

性能注意事項：轉換旁路緩衝區(TLB)由於每次內存訪問都遍歷多級頁面表會很慢，因此現代CPU 使用稱為轉換旁路緩衝區(TLB)的硬件緩存。 TLB 存儲最近的虛擬到物理地址轉換，通過減少所需的內存訪問次數來大幅提高性能。

Linux 中的交換：將內存擴展到物理限制之外

什麼是交換？交換是一種機制，當內存不足時，Linux 將不常用的內存頁從RAM 移動到磁盤（交換空間）。此過程允許系統處理超過可用物理內存的工作負載。

交換的工作原理Linux 保留專用的交換空間，它可以是：

• 交換分區（專用於交換的單獨磁盤分區）。
• 交換文件（用作交換空間的文件系統上的文件）。

當進程需要的內存超過可用內存時，內核使用頁面置換算法來決定要交換出哪些頁面。

頁面置換算法Linux 使用不同的算法來決定要交換出哪些頁面：

• 最近最少使用(LRU) ：最長時間未使用的頁面首先被交換。
• 最近未使用(NRU) ：根據頁面的訪問和修改位對頁面進行分類。
• 時鐘算法: LRU 的簡化版本，可以有效地近似使用情況。

管理交換使用情況** swappiness參數控制Linux 交換頁面的積極程度。該值範圍為0 到100**：

• 低值（例如，10-20）：盡可能長時間地將頁面保留在RAM 中。
• 高值（例如，60-100）：更積極地進行交換以釋放RAM。

要檢查和調整swappiness：

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

要監控交換使用情況：

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

優化交換性能- 使用快速的SSD進行交換存儲以減少性能下降。

• 確保有足夠的RAM以最大限度地減少交換。
• 根據工作負載需求調整swappiness 。

Linux 中的內存分配

物理內存與虛擬內存分配Linux 將內存分為三個區域：

• DMA（直接內存訪問） : 為需要直接內存訪問的硬件保留。
• 普通區域: 內核和用戶進程可用的內存。
• 高內存: 當物理內存超過直接可尋址範圍時使用。

內核內存分配機制1.夥伴系統: 以2 的冪次方塊分配內存以減少碎片。 2. Slab 分配器: 有效地管理頻繁分配/釋放的小對象。 3. SLOB 和SLUB 分配器: 為不同的工作負載優化的替代分配策略。

用戶空間內存分配- malloc()：在用戶空間分配內存。

• brk() & sbrk()：調整進程堆大小。
• mmap()：直接從內核分配大型內存區域。

處理內存不足(OOM) 情況當內存耗盡時，Linux OOM Killer會選擇並終止進程以釋放RAM。可以通過以下方式檢查日誌：

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

實用見解和最佳實踐

監控內存使用情況- 使用top 和htop 進行實時監控。

• 使用free -m 獲取內存統計信息。
• 使用/proc/meminfo 獲取詳細信息。
• 使用pmap 獲取特定進程的內存映射。

優化內存性能- 調整swappiness以平衡RAM 和交換使用情況。

• 使用內存cgroup來限制進程的內存消耗。
• 使用巨頁進行大型內存分配。
• 優化應用程序內存佔用以防止過度交換。

結論

理解Linux 內存管理——頁面表、交換和內存分配——使系統管理員和開發人員能夠有效地優化性能和排除問題。通過監控、調整和增強內存處理的工具和技術，Linux 仍然是各種工作負載的強大而靈活的操作系統。

通過掌握這些概念，您可以確保您的系統高效運行並在內存限制下良好響應，從而提高整體性能和可靠性。

以上是Linux內存管理：了解頁面表，交換和內存分配的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！