掌握Linux記憶體管理，讓你的程式效能再提升！

Linux作為一款廣泛應用於伺服器和嵌入式裝置的作業系統，佔據了越來越大的市場份額。在這些場景下，記憶體管理是至關重要的，因為它直接影響到系統的效能和穩定性，特別是對於程式設計師來說更是如此。對於想要在Linux平台上開發高效能應用程式的程式設計師來說，精通Linux記憶體管理是必須的。今天我們將介紹一篇文章，這篇文章是每個程式設計師都應該閱讀的：Linux記憶體管理。
對於記憶體部分需要知道：

1. 位址映射
2. # 記憶體管理的方式
3. 缺頁異常

先來看一些基本的知識，在流程看來，記憶體分為核心態和使用者態兩部分，經典比例如下：

# 從用戶態到內核態一般透過系統呼叫、中斷來實現。使用者態的記憶體被劃分為不同的區域用於不同的目的：

當然內核態也不會無差別地使用，所以，其分割如下：

下面來仔細看這些記憶體是如何管理的。

位址

在Linux內部的位址的對應過程為邏輯位址–>線性位址–>實體位址，實體位址最簡單：位址匯流排中傳送的數位訊號，而線性位址和邏輯位址所表示的則是一種轉換規則，線性位址規則如下：

這部分由MMU完成，其中涉及到主要的暫存器有CR0、CR3。機器指令中出現的是邏輯位址，邏輯位址規則如下：

在Linux中的邏輯位址等於線性位址，也就是說Inter為了相容把事情搞得很複雜，Linux簡化順便偷個懶。

記憶體管理的方式

#在系統boot的時候會去探測內存的大小和情況，在建立複雜的結構之前，需要用一個簡單的方式來管理這些內存，這就是bootmem，簡單來說就是位圖，不過其中也有一些優化的思路。

bootmem再怎麼優化，效率都不高，在要分配記憶體的時候畢竟是要去遍歷，buddy系統剛好能解決這個問題：在內部保存一些2的冪次大小的空閒記憶體片段，如果要分配3page，去4page的清單裡面取一個，分配3個之後將剩下的1個放回去，記憶體釋放的過程剛好是一個逆過程。用一個圖表來表示：

可以看到0、4、5、6、7都是正在使用的，那麼，1、2被釋放的時候，他們會合併嗎？

static inline unsigned long
__find_buddy_index(unsigned long page_idx, unsigned int order)
{
    return page_idx ^ (1 

從上面這段程式碼可以看到，0、1是buddy，2、3是buddy，雖然1、2相鄰，但他們不是。記憶體碎片是系統運作的大敵，夥伴系統機制可以在一定程度上防止碎片~~另外，我們可以透過cat /proc/buddyinfo取得到各order中的空閒的頁數。

夥伴系統每次分配記憶體都是以頁（4KB）為單位的，但係統運作的時候使用的絕大部分的資料結構都是很小的，為一個小物件分配4KB顯然是不划算了。 Linux中使用slab來解決小物件的分配：

在運行時，slab向buddy「批發」一些內存，加工切塊以後「散賣」出去。隨著大規模多處理器系統和NUMA系統的廣泛應用，slab終於暴露出不足：

1. 複雜的隊列管理
2. 管理資料和佇列儲存開銷較大
3. # 長時間運行partial佇列可能會非常長
4. # 對NUMA支援非常複雜

為了解決這些高手們開發了slub：改造page結構來削減slab管理結構的開銷、每個CPU都有一個本地活動的slab(kmem_cache_cpu)等。對於小型的嵌入式系統存在一個slab模擬層slob，在這種系統中它更有優勢。

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！

以上是掌握Linux記憶體管理，讓你的程式效能再提升！的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！