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本文轉載自微信公眾號「人人都是極客 」，作者布道師Peter。轉載本文請聯系人人都是極客 公眾號。   

沒有宏觀概念，上來通過擼代碼來理解簡直就是耍流氓，效率極低。為了更有效的理解內存管理的來龍去脈很有必要先了解一些基礎概念，然后再去擼代碼。來，先一起看看那些內存里的各種頁的含義和應用場景。

用戶進程的內存頁分為兩種：

• file-backed pages(文件背景頁)
• anonymous pages(匿名頁)

比如進程的代碼段、映射的文件都是file-backed，而進程的堆、棧都是不與文件相對應的、就屬于匿名頁。

file-backed pages在內存不足的時候可以直接寫回對應的硬盤文件里，稱為page-out，不需要用到交換區(swap);而anonymous pages在內存不足時就只能寫到硬盤上的交換區(swap)里，稱為swap-out。

file-backed pages(文件背景頁)

對于有文件背景的頁面，程序去讀文件時，可以通過read也可以通過mmap去讀。當你通過任何一種方式從磁盤讀文件時，內核都會給你申請一個page cache，來緩存硬盤上的內容。這樣的話，讀過一遍的數據，本進程或其他進程下次再讀的時候就直接從page cache里去拿，就很快了，提升系統的整體性能。因此用戶的read/write實際上是跟page cache的相互拷貝。

而用戶的mmap則會將一段虛擬地址(3G)以下映射到page cache上，這樣的話，用戶就可以通過讀寫這段虛擬地址來修改文件內容，省去了內核和用戶之間的拷貝。

所以文件對于用戶程序來講其實只是內存，page cache就是磁盤中文件的一個副本。可以通過 “echo 3 > /proc/sys/vm/drop_cache” 來清cache。清掉之后，進程第一次讀文件就會變慢。

通過free命令可以看到當前page cache占用內存的大小，free命令中會打印buffers和cached。通過文件系統來訪問文件(掛載文件系統，通過文件名打開文件)產生的緩存就由cached記錄，而直接操作裸盤(打開/dev/sda設備去讀寫)產生的緩存就由buffers記錄。

實際上文件系統本身再讀寫文件就是操作裸分區的方式，用戶態也可以直接操作裸盤，像dd命令操作一個設備名也是直接訪問裸分區。那么，通過文件系統讀寫的時候，就會既有cached又有buffers。從圖中可以看到，文件名等元數據和文件系統相關，是進cached，實際的數據緩存還是在buffers。例如，read一個文件(如ext4文件系統)的時候，如果文件cache命中了，就不用走到ext4層，從vfs層就返回了。

當然，還可以在open的時候加上O_DIRECT標記，做直接IO，就連buffers都不進了，直接讀寫磁盤。

anonymous pages(匿名頁)

沒有文件背景的頁面，即匿名頁(anonymous page)，如堆，棧，數據段等，不是以文件形式存在，因此無法和磁盤文件交換，但可以通過硬盤上劃分額外的swap分區或使用swap文件進行交換。swap分區可以將不活躍的頁交換到硬盤中，緩解內存緊張。swap分區可以當做針對匿名頁偽造的文件背景。

頁面回收(reclaim)

• 有文件背景的數據實際上就是page cache，但page cache不能無限增加，不能說慢慢的所有文件都緩存到內存了。肯定要有一個機制，讓不常用的文件數據從page cache刷出去。內核中有一個水位控制的機制，在系統內存不夠用的時候，會觸發頁面回收。
• 對于沒有文件背景的頁面即匿名頁，比如堆、棧、數據段，如果沒有swap分區，不能與磁盤交換，就要常駐內存了。但是常駐內存的話，就會吃內存，可以通過給硬盤搞一個swap分區或硬盤中創建一個swap文件讓匿名頁也能交換到磁盤上。可認為是為匿名頁偽造的文件背景。swap分區或swap文件實際上最終是到達了增大內存的效果。當然，如果頻繁交換的話，被交換出去的數據的訪問就會慢一些，因為要有IO操作了。

1. 水位(watermark)控制:

內核中有三個水位：

• min：如果剩余內存減少到觸及這個水位，可認為內存嚴重不足，當前進程就會被堵住，kernel會直接在這個進程的進程上下文里面做內存回收(direct reclaim)。
• low：當剩余內存慢慢減少，觸到這個水位時，就會觸發kswapd線程的內存回收。
• high: 進行內存回收時，內存慢慢增加，觸到這個水位時，就停止回收。

由于每個ZONE是分別管理各自內存的，因此每個ZONE都有這三個水位

2. swapness：

回收的時候，是回收有文件背景的頁還是匿名頁還是都會回收呢，可通過/proc/sys/vm/swapness來控制讓誰回收多一點點。swappiness越大，越傾向于回收匿名頁;swappiness越小，越傾向于回收file-backed的頁面。當然，它們的回收方法都是一樣的LRU算法，即最近最少使用的頁會被回收。

3. 如何計算水位：

/proc/sys/vm/min_free_kbytes 是一個用戶可配置的值，默認值是min_free_kbytes = 4 * sqrt(lowmem_kbytes)。然后根據min算出來low和high水位的值：low=5/4*min，high=6/4*min。

臟頁的寫回

sync是用來回寫臟頁的，臟頁不能在內存中呆的太久，因為如果突然斷電沒有寫到硬盤的話臟數據就丟了，另一方面如果攢了很多一起寫回也會明顯占用CPU時間。

那么臟頁時候寫回呢?臟頁回寫的時機由時間和空間兩方面共同控制：

時間：

• dirty_expire_centisecs: 臟頁的到期時間，或理解為老化時間，單位是1/100s，內核中的flusher thread會檢查駐留內存的時間超過dirty_expire_centisecs的臟頁，超過的就回寫。
• dirty_writeback_centisecs:內核的flusher thread周期性被喚醒(wakeup_flusher_threads())的時間間隔，每次被喚醒都會去檢查是否有臟頁老化了。如果將這個值置為0，則flusher線程就完全不會被喚醒了。

空間：

• dirty_ratio: 一個寫磁盤的進程所產生的臟頁到達這個比例時，這個進程自己就會去回寫臟頁。
• dirty_background_ratio: 如果臟頁的數量超過這個比例時，flusher線程就會啟動臟頁回寫。

所以：

1. 即使只有一個臟頁，那如果它超時了，也會被寫回。防止臟頁在內存駐留太久。dirty_expire_centisecs這個值默認是3000，即30s，可以將其設置得短一些，這樣掉電后丟失的數據會更少，但磁盤寫操作也更密集。
2. 不能有太多的臟頁，否則會給磁盤IO造成很大壓力，例如在內存不夠做內存回收時，還要先回寫臟頁，也會明顯耗時。

需要注意的是，在達到dirty_background_ratio后，flusher線程(名為“[flush-devname]”)開始回寫，但由于寫磁盤速度慢，如果此時應用進程還在不停地寫磁盤，flusher線程回寫沒那么快，那么就會導致進程的臟頁達到dirty_ratio，這時這個進程就會去回寫臟頁而導致write被堵住。也就是說dirty_background_ratio通常是比dirty_ratio小的。

臟頁都是指有文件背景的頁面，匿名頁不會存在臟頁。從/proc/meminfo的’Dirty’一行可以看到當前系統的臟頁有多少，用sync命令可以刷掉。

zRAM機制

不用swap分區，也可以用zRAM機制來緩解內存緊張：從內存里拿出一段內存空間(compressed block)，作為交換空間模擬硬盤的交換分區，用來交換匿名頁，并且讓kernel看到的物理內存大小不包括這段內存。而這段交換空間自帶透明壓縮功能，即交換到這塊zRAM分區時，Linux會自動將這塊匿名頁壓縮存放。系統訪問這塊頁面的內容時，產生page fault后從交換分區去拿，這時Linux給你透明解壓再交換出來。

使用zRAM的好處，就是訪存比訪問硬盤或flash的速度提高很多，且不用考慮壽命問題，并且由于這段內存是壓縮后存儲的，因此可以存更多的數據，雖然占用了一段內存，但實際可以存更多的數據，也達到了增加內存的效果。缺點就是壓縮要占用CPU時間。

Android里面普遍使用了zRAM技術，由于zRAM犧牲了CPU時間，所以交換次數還是越少越好。像Android和windows，內存越大越好，因為發生交換的幾率就小。這樣兩個進程相互切換(如微博和微信)時就會變得流暢，因為內存足夠的話，后臺進程無需被換進swap分區或被OOM殺掉。當然如果你只打打電話，就沒必要大內存啦。