你是否好奇，為何在老舊設(shè)備上運(yùn)行大型程序時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)瞬間崩潰，而是勉力維持？為何多任務(wù)并行時(shí)，各個(gè)進(jìn)程看似都能擁有充足內(nèi)存空間？這背后，Linux 虛擬內(nèi)存技術(shù)功不可沒。它讓每個(gè)進(jìn)程都仿佛擁有一塊獨(dú)立且足夠大的內(nèi)存空間，不必?fù)?dān)憂實(shí)際物理內(nèi)存的局促與復(fù)雜布局。想象一下，你有一間堆滿書籍的小書房，空間有限，但又想存放更多知識(shí)。虛擬內(nèi)存就像一個(gè)智能書架系統(tǒng)，它能巧妙規(guī)劃，將常用書籍?dāng)[在觸手可及之處，不常用的暫時(shí)存放到地下室，需要時(shí)再快速調(diào)取。

Linux 虛擬內(nèi)存正是如此，通過頁表這一 “翻譯官”，將進(jìn)程使用的虛擬地址精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為實(shí)際物理地址，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存地址的靈活轉(zhuǎn)換與管理。當(dāng)進(jìn)程訪問的數(shù)據(jù)不在物理內(nèi)存中，系統(tǒng)便會(huì)觸發(fā)缺頁異常，如同從地下室取書，從磁盤交換區(qū)或文件系統(tǒng)中加載相應(yīng)數(shù)據(jù)到內(nèi)存，更新頁表后，進(jìn)程便能順利訪問。今天，就讓我們一同深入 Linux 虛擬內(nèi)存的神秘世界，從原理、機(jī)制到實(shí)踐應(yīng)用，全方位解析這一解決物理內(nèi)存限制的關(guān)鍵技術(shù)，探尋它如何在有限資源下，為程序運(yùn)行構(gòu)建出無限可能的舞臺(tái)。

Part1.虛擬內(nèi)存是什么？

1.1虛擬內(nèi)存概述

虛擬內(nèi)存，簡單來說，是一種內(nèi)存管理技術(shù)，它讓操作系統(tǒng)能將硬盤空間當(dāng)作額外的內(nèi)存來使用。你可以把它想象成一個(gè) “內(nèi)存擴(kuò)充器”，當(dāng)計(jì)算機(jī)的物理內(nèi)存（也就是我們常說的內(nèi)存條提供的內(nèi)存）不夠用時(shí)，虛擬內(nèi)存就會(huì)把暫時(shí)用不到的數(shù)據(jù)從物理內(nèi)存轉(zhuǎn)移到硬盤上的特定區(qū)域，這個(gè)區(qū)域就像是內(nèi)存的 “倉庫”，我們稱之為交換空間（swap space） 。當(dāng)程序需要這些數(shù)據(jù)時(shí)，再從交換空間把數(shù)據(jù)調(diào)回到物理內(nèi)存。

圖片

打個(gè)比方，物理內(nèi)存就像是你辦公桌上的桌面，空間有限，只能放一些當(dāng)下馬上要處理的文件。而虛擬內(nèi)存則像是辦公室里的文件柜，當(dāng)桌面上堆滿了文件，你就可以把一些暫時(shí)不需要的文件放到文件柜里。當(dāng)你需要這些文件時(shí)，再從文件柜中取出來放回桌面。這樣，即使你的桌面空間有限，也能處理更多的文件，就像計(jì)算機(jī)即使物理內(nèi)存有限，也能運(yùn)行更多的程序。

對(duì)于進(jìn)程來說，虛擬內(nèi)存提供了獨(dú)立的地址空間，每個(gè)進(jìn)程都認(rèn)為自己獨(dú)占了系統(tǒng)的所有內(nèi)存資源，這樣可以避免不同進(jìn)程之間的內(nèi)存沖突，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。就好比每個(gè)租客都覺得自己租下了一整套房子，有獨(dú)立的空間放置自己的物品，不用擔(dān)心和其他租客的物品混在一起。

1.2為什么需要使用虛擬內(nèi)存

進(jìn)程需要使用的代碼和數(shù)據(jù)都放在內(nèi)存中，比放在外存中要快很多。問題是內(nèi)存空間太小了，不能滿足進(jìn)程的需求，而且現(xiàn)在都是多進(jìn)程，情況更加糟糕。所以提出了虛擬內(nèi)存，使得每個(gè)進(jìn)程用于3G的獨(dú)立用戶內(nèi)存空間和共享的1G內(nèi)核內(nèi)存空間。（每個(gè)進(jìn)程都有自己的頁表，才使得3G用戶空間的獨(dú)立）這樣進(jìn)程運(yùn)行的速度必然很快了。而且虛擬內(nèi)存機(jī)制還解決了內(nèi)存碎片和內(nèi)存不連續(xù)的問題。為什么可以在有限的物理內(nèi)存上達(dá)到這樣的效果呢？

例如：對(duì)于程序計(jì)數(shù)器位數(shù)為32位的處理器來說，他的地址發(fā)生器所能發(fā)出的地址數(shù)目為2^32=4G個(gè)，于是這個(gè)處理器所能訪問的最大內(nèi)存空間就是4G。在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，這個(gè)值就叫做處理器的尋址空間或?qū)ぶ纺芰Α?/span>

照理說，為了充分利用處理器的尋址空間，就應(yīng)按照處理器的最大尋址來為其分配系統(tǒng)的內(nèi)存。如果處理器具有32位程序計(jì)數(shù)器，那么就應(yīng)該按照下圖的方式，為其配備4G的內(nèi)存：

圖片

這樣，處理器所發(fā)出的每一個(gè)地址都會(huì)有一個(gè)真實(shí)的物理存儲(chǔ)單元與之對(duì)應(yīng)；同時(shí)，每一個(gè)物理存儲(chǔ)單元都有唯一的地址與之對(duì)應(yīng)。這顯然是一種最理想的情況。

但遺憾的是，實(shí)際上計(jì)算機(jī)所配置內(nèi)存的實(shí)際空間常常小于處理器的尋址范圍，這是就會(huì)因處理器的一部分尋址空間沒有對(duì)應(yīng)的物理存儲(chǔ)單元，從而導(dǎo)致處理器尋址能力的浪費(fèi)。例如：如下圖的系統(tǒng)中，具有32位尋址能力的處理器只配置了256M的內(nèi)存儲(chǔ)器，這就會(huì)造成大量的浪費(fèi)：

圖片

另外，還有一些處理器因外部地址線的根數(shù)小于處理器程序計(jì)數(shù)器的位數(shù)，而使地址總線的根數(shù)不滿足處理器的尋址范圍，從而處理器的其余尋址能力也就被浪費(fèi)了。例如：Intel8086處理器的程序計(jì)數(shù)器位32位，而處理器芯片的外部地址總線只有20根，所以它所能配置的最大內(nèi)存為1MB：

圖片

在實(shí)際的應(yīng)用中，如果需要運(yùn)行的應(yīng)用程序比較小，所需內(nèi)存容量小于計(jì)算機(jī)實(shí)際所配置的內(nèi)存空間，自然不會(huì)出什么問題。但是，目前很多的應(yīng)用程序都比較大，計(jì)算機(jī)實(shí)際所配置的內(nèi)存空間無法滿足。

實(shí)踐和研究都證明：一個(gè)應(yīng)用程序總是逐段被運(yùn)行的，而且在一段時(shí)間內(nèi)會(huì)穩(wěn)定運(yùn)行在某一段程序里。

這也就出現(xiàn)了一個(gè)方法：如下圖所示，把要運(yùn)行的那一段程序自輔存復(fù)制到內(nèi)存中來運(yùn)行，而其他暫時(shí)不運(yùn)行的程序段就讓它仍然留在輔存。

圖片

當(dāng)需要執(zhí)行另一端尚未在內(nèi)存的程序段（如程序段2），如下圖所示，就可以把內(nèi)存中程序段1的副本復(fù)制回輔存，在內(nèi)存騰出必要的空間后，再把輔存中的程序段2復(fù)制到內(nèi)存空間來執(zhí)行即可：

圖片

在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，把內(nèi)存中的程序段復(fù)制回輔存的做法叫做“換出”，而把輔存中程序段映射到內(nèi)存的做法叫做“換入”。經(jīng)過不斷有目的的換入和換出，處理器就可以運(yùn)行一個(gè)大于實(shí)際物理內(nèi)存的應(yīng)用程序了。或者說，處理器似乎是擁有了一個(gè)大于實(shí)際物理內(nèi)存的內(nèi)存空間。于是，這個(gè)存儲(chǔ)空間叫做虛擬內(nèi)存空間，而把真正的內(nèi)存叫做實(shí)際物理內(nèi)存，或簡稱為物理內(nèi)存。

那么對(duì)于一臺(tái)真實(shí)的計(jì)算機(jī)來說，它的虛擬內(nèi)存空間又有多大呢？計(jì)算機(jī)虛擬內(nèi)存空間的大小是由程序計(jì)數(shù)器的尋址能力來決定的。例如：在程序計(jì)數(shù)器的位數(shù)為32的處理器中，它的虛擬內(nèi)存空間就為4GB。

可見，如果一個(gè)系統(tǒng)采用了虛擬內(nèi)存技術(shù)，那么它就存在著兩個(gè)內(nèi)存空間：虛擬內(nèi)存空間和物理內(nèi)存空間。虛擬內(nèi)存空間中的地址叫做“虛擬地址”；而實(shí)際物理內(nèi)存空間中的地址叫做“實(shí)際物理地址”或“物理地址”。處理器運(yùn)算器和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)人員看到的只是虛擬內(nèi)存空間和虛擬地址，而處理器片外的地址總線看到的只是物理地址空間和物理地址。

由于存在兩個(gè)內(nèi)存地址，因此一個(gè)應(yīng)用程序從編寫到被執(zhí)行，需要進(jìn)行兩次映射。第一次是映射到虛擬內(nèi)存空間，第二次時(shí)映射到物理內(nèi)存空間。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，第兩次映射的工作是由硬件和軟件共同來完成的。承擔(dān)這個(gè)任務(wù)的硬件部分叫做存儲(chǔ)管理單元MMU，軟件部分就是操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理模塊了。

在映射工作中，為了記錄程序段占用物理內(nèi)存的情況，操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理模塊需要建立一個(gè)表格，該表格以虛擬地址為索引，記錄了程序段所占用的物理內(nèi)存的物理地址。這個(gè)虛擬地址/物理地址記錄表便是存儲(chǔ)管理單元MMU把虛擬地址轉(zhuǎn)化為實(shí)際物理地址的依據(jù)，記錄表與存儲(chǔ)管理單元MMU的作用如下圖所示：

圖片

綜上所述，虛擬內(nèi)存技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，是建立在應(yīng)用程序可以分成段，并且具有“在任何時(shí)候正在使用的信息總是所有存儲(chǔ)信息的一小部分”的局部特性基礎(chǔ)上的。它是通過用輔存空間模擬RAM來實(shí)現(xiàn)的一種使機(jī)器的作業(yè)地址空間大于實(shí)際內(nèi)存的技術(shù)。

從處理器運(yùn)算裝置和程序設(shè)計(jì)人員的角度來看，它面對(duì)的是一個(gè)用MMU、映射記錄表和物理內(nèi)存封裝起來的一個(gè)虛擬內(nèi)存空間，這個(gè)存儲(chǔ)空間的大小取決于處理器程序計(jì)數(shù)器的尋址空間。

可見，程序映射表是實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存的技術(shù)關(guān)鍵，它可給系統(tǒng)帶來如下特點(diǎn)：

• 系統(tǒng)中每一個(gè)程序各自都有一個(gè)大小與處理器尋址空間相等的虛擬內(nèi)存空間；
• 在一個(gè)具體時(shí)刻，處理器只能使用其中一個(gè)程序的映射記錄表，因此它只看到多個(gè)程序虛存空間中的一個(gè)，這樣就保證了各個(gè)程序的虛存空間時(shí)互不相擾、各自獨(dú)立的；
• 使用程序映射表可方便地實(shí)現(xiàn)物理內(nèi)存的共享。

Part2.虛擬內(nèi)存與物理內(nèi)存

2.1兩者區(qū)別

物理內(nèi)存是實(shí)實(shí)在在插在計(jì)算機(jī)主板內(nèi)存槽上的內(nèi)存條所提供的內(nèi)存，是計(jì)算機(jī)硬件的一部分，由半導(dǎo)體芯片組成 ，CPU 可以直接進(jìn)行尋址，用于存放正在運(yùn)行的程序和臨時(shí)的數(shù)據(jù)。一旦電腦關(guān)閉或重啟，物理內(nèi)存中的內(nèi)容就會(huì)丟失。它的容量是固定的，取決于你安裝的內(nèi)存條數(shù)量和容量大小。例如，你的電腦安裝了兩根 8GB 的內(nèi)存條，那么物理內(nèi)存就是 16GB。

而虛擬內(nèi)存是一種內(nèi)存管理技術(shù)，并不是真實(shí)的物理硬件。它通過將硬盤空間的一部分模擬為內(nèi)存來擴(kuò)展物理內(nèi)存的容量，是操作系統(tǒng)為了擴(kuò)大可用內(nèi)存而創(chuàng)造的一種 “模擬” 擴(kuò)展 。當(dāng)物理內(nèi)存不足時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)利用虛擬內(nèi)存來存儲(chǔ)暫時(shí)不需要立即訪問的數(shù)據(jù)，把部分長期不用的數(shù)據(jù)從物理內(nèi)存移動(dòng)到硬盤上的虛擬內(nèi)存區(qū)域（也就是交換空間） 。虛擬內(nèi)存對(duì)于那些需要大量數(shù)據(jù)但仍受限于物理內(nèi)存的應(yīng)用特別有用，但其讀取速度遠(yuǎn)低于物理內(nèi)存，因?yàn)橛脖P的讀寫速度要比內(nèi)存慢得多。

2.2相互關(guān)系

在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存緊密協(xié)作。當(dāng)一個(gè)程序啟動(dòng)時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)為其分配虛擬內(nèi)存空間，程序在運(yùn)行過程中訪問的都是虛擬地址。當(dāng)程序需要訪問某個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，首先會(huì)通過虛擬地址去查找。CPU 會(huì)將虛擬地址發(fā)送給內(nèi)存管理單元（MMU） ，MMU 通過查詢頁表（一種記錄虛擬地址和物理地址映射關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)），將虛擬地址轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的物理地址。如果所需的數(shù)據(jù)就在物理內(nèi)存中，那么 CPU 就可以直接從物理內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，這就好比你在辦公桌上能直接找到需要的文件，速度很快。

但如果數(shù)據(jù)不在物理內(nèi)存中，而是在虛擬內(nèi)存（硬盤的交換空間）里，就會(huì)發(fā)生缺頁異常。這時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)從物理內(nèi)存中選擇一個(gè)暫時(shí)不用的頁面（如果物理內(nèi)存已滿的話），將其數(shù)據(jù)寫回到硬盤的交換空間，然后把程序需要的數(shù)據(jù)從交換空間讀取到物理內(nèi)存中，并更新頁表中的映射關(guān)系。之后，CPU 就可以通過新的物理地址訪問數(shù)據(jù)了。這個(gè)過程就像是你在辦公桌上找不到文件，需要去文件柜（虛擬內(nèi)存）里找，找到后把文件拿出來放在桌面上（物理內(nèi)存），方便下次使用 。

可以說，虛擬內(nèi)存是物理內(nèi)存的補(bǔ)充和延伸，它們共同為程序的運(yùn)行提供內(nèi)存支持，使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠更高效地運(yùn)行多個(gè)程序，處理各種復(fù)雜的任務(wù)。

Part3.虛擬內(nèi)存技術(shù)

3.1分頁機(jī)制

分頁是虛擬內(nèi)存管理中的一種重要機(jī)制，它將內(nèi)存空間劃分為固定大小的塊，這些塊就被稱為頁（page） 。在 Linux 系統(tǒng)中，常見的頁大小是 4KB（2^12 字節(jié)），不過在某些架構(gòu)下，也支持如 64KB 或 2MB 的大頁（Huge Pages） 。之所以采用固定大小的頁，是為了簡化內(nèi)存管理和提高內(nèi)存分配的效率。

圖片

頁表（Page Table）是分頁機(jī)制的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它就像是一本 “地址字典”，記錄了虛擬頁與物理頁之間的映射關(guān)系 。每個(gè)進(jìn)程都擁有自己獨(dú)立的頁表，當(dāng)進(jìn)程訪問內(nèi)存時(shí)，CPU 會(huì)將虛擬地址發(fā)送給內(nèi)存管理單元（MMU） ，MMU 通過查詢頁表，把虛擬地址轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的物理地址。例如，在 x86_64 架構(gòu)中，Linux 使用四級(jí)頁表結(jié)構(gòu)，分別為頁全局目錄（PGD）、頁上級(jí)目錄（PUD）、頁中間目錄（PMD）和頁表項(xiàng)（PTE） 。當(dāng) CPU 接收到一個(gè)虛擬地址時(shí)，首先會(huì)根據(jù)虛擬地址的最高幾位在 PGD 中找到對(duì)應(yīng)的 PUD；然后依據(jù)虛擬地址的次高幾位在 PUD 中找到對(duì)應(yīng)的 PMD；接著根據(jù)虛擬地址的再次高幾位在 PMD 中找到對(duì)應(yīng)的 PTE；最后，PTE 中記錄了該虛擬頁對(duì)應(yīng)的物理頁框地址，從而實(shí)現(xiàn)了虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。

以一個(gè)簡單的例子來說明，假設(shè)我們有一個(gè)進(jìn)程需要訪問虛擬地址 0x12345678。在四級(jí)頁表結(jié)構(gòu)下，MMU 會(huì)先提取虛擬地址的高幾位（比如高 9 位，具體位數(shù)根據(jù)架構(gòu)和頁表設(shè)計(jì)而定），通過這幾位索引 PGD，找到對(duì)應(yīng)的 PUD；再從虛擬地址中提取接下來的幾位（同樣根據(jù)設(shè)計(jì)而定），在 PUD 中找到對(duì)應(yīng)的 PMD；然后繼續(xù)提取相應(yīng)位在 PMD 中找到 PTE；最終，PTE 中保存了物理頁框地址，再結(jié)合虛擬地址中剩下的偏移部分，就可以得到實(shí)際的物理地址，進(jìn)而訪問到所需的數(shù)據(jù) 。

3.2分段機(jī)制

分段機(jī)制是另一種內(nèi)存管理方式，它將程序的地址空間劃分為多個(gè)邏輯段，比如代碼段（存放程序的指令）、數(shù)據(jù)段（存放程序的全局變量和靜態(tài)變量等）、堆棧段（存放函數(shù)調(diào)用時(shí)的局部變量、返回地址等） 。每個(gè)段都有自己的起始地址和長度，通過段寄存器來標(biāo)識(shí)和訪問。

圖片

與分頁機(jī)制不同，分頁是將內(nèi)存劃分為固定大小的頁，主要目的是為了實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存和內(nèi)存管理的高效性；而分段是基于程序的邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，更注重程序的模塊化和保護(hù) 。例如，代碼段可以設(shè)置為只讀，防止程序運(yùn)行時(shí)被意外修改；數(shù)據(jù)段可以根據(jù)需要設(shè)置讀寫權(quán)限，以保證數(shù)據(jù)的安全性。

分頁機(jī)制消除了外部碎片，因?yàn)閮?nèi)存空間是預(yù)先劃分好的，頁與頁之間是緊密排列的。但分頁機(jī)制可能產(chǎn)生內(nèi)部碎片，即當(dāng)分配的頁面大小大于實(shí)際需要的內(nèi)存大小時(shí)，剩余的空間將被浪費(fèi)。

現(xiàn)代操作系統(tǒng)一般都采用段頁式存儲(chǔ)的方式來實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存的映射。段頁式存儲(chǔ)，顧名思義是一種結(jié)合了段式存儲(chǔ)管理和頁式存儲(chǔ)管理優(yōu)點(diǎn)的內(nèi)存管理技術(shù)。在段頁式存儲(chǔ)中，程序的邏輯地址空間被劃分為若干個(gè)段，每個(gè)段再被劃分為若干個(gè)固定大小的頁。同時(shí)，物理內(nèi)存也被劃分為與頁面大小相同的物理塊。

圖片

• 當(dāng)程序需要訪問某個(gè)邏輯地址時(shí)，首先根據(jù)段號(hào)找到對(duì)應(yīng)的段表項(xiàng)。
• 從段表項(xiàng)中獲取該段的頁表起始地址，并根據(jù)段內(nèi)頁號(hào)找到對(duì)應(yīng)的頁表項(xiàng)。
• 從頁表項(xiàng)中獲取該頁對(duì)應(yīng)的物理塊號(hào)。
• 最后，將物理塊號(hào)與頁內(nèi)偏移量組合，得到物理地址，從而完成地址映射。

在 Linux 內(nèi)核中，雖然 x86 架構(gòu)支持分段機(jī)制，但 Linux 對(duì)分段機(jī)制的使用進(jìn)行了簡化和弱化 。在 32 位的 x86 架構(gòu)中，Linux 通常只使用了兩個(gè)段：一個(gè)是用戶數(shù)據(jù)段，用于存放用戶進(jìn)程的數(shù)據(jù)；另一個(gè)是用戶代碼段，用于存放用戶進(jìn)程的代碼。對(duì)于內(nèi)核空間，也類似地使用兩個(gè)段。這種簡化的分段方式，使得 Linux 的內(nèi)存管理更加簡單高效，同時(shí)也借助分頁機(jī)制來實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的內(nèi)存管理功能 。

虛擬內(nèi)存區(qū)域（VMA）是 Linux 內(nèi)核中用于管理進(jìn)程虛擬內(nèi)存的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 。每個(gè)進(jìn)程的虛擬地址空間被劃分為多個(gè) VMA，每個(gè) VMA 對(duì)應(yīng)一個(gè)連續(xù)的虛擬地址范圍，并且具有相同的訪問權(quán)限和屬性 。例如，一個(gè)進(jìn)程的代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧段等都可以分別對(duì)應(yīng)一個(gè) VMA。分段機(jī)制與 VMA 的關(guān)系在于，VMA 可以看作是對(duì)分段概念的一種擴(kuò)展和細(xì)化，它更靈活地管理進(jìn)程的虛擬內(nèi)存，并且與分頁機(jī)制相結(jié)合，共同實(shí)現(xiàn)了 Linux 高效的內(nèi)存管理 。

3.3內(nèi)存對(duì)齊

內(nèi)存對(duì)齊是指數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存儲(chǔ)時(shí)，按照一定的規(guī)則排列，使得數(shù)據(jù)的起始地址是特定值的倍數(shù) 。這個(gè)特定值通常是數(shù)據(jù)類型大小的倍數(shù)，比如在 32 位系統(tǒng)中，int 類型通常占 4 字節(jié)，那么 int 類型數(shù)據(jù)的起始地址通常會(huì)被對(duì)齊到 4 的倍數(shù)；在 64 位系統(tǒng)中，指針類型通常占 8 字節(jié)，指針數(shù)據(jù)的起始地址會(huì)被對(duì)齊到 8 的倍數(shù) 。

基本變量類型所占大小如下圖，不同的系統(tǒng)的區(qū)別在于long和point類型的大小：

圖片

內(nèi)存對(duì)齊的重要性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是提高訪問速度，現(xiàn)代處理器在訪問內(nèi)存時(shí)，通常是以一定的塊大小（如 4 字節(jié)、8 字節(jié)等）進(jìn)行讀取的。如果數(shù)據(jù)是對(duì)齊的，處理器可以一次讀取到完整的數(shù)據(jù)，而不需要進(jìn)行額外的處理。相反，如果數(shù)據(jù)未對(duì)齊，可能需要多次讀取內(nèi)存，并進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，這會(huì)大大降低訪問速度 。二是硬件要求，某些處理器架構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)的對(duì)齊有嚴(yán)格要求，如果數(shù)據(jù)未對(duì)齊，可能會(huì)導(dǎo)致硬件異常或性能下降 。三是優(yōu)化存儲(chǔ)空間，合理的內(nèi)存對(duì)齊可以減少內(nèi)存碎片的產(chǎn)生，提高內(nèi)存的利用率 。例如，在結(jié)構(gòu)體中，如果各個(gè)成員按照其自身的對(duì)齊要求進(jìn)行排列，可以減少結(jié)構(gòu)體整體的大小，節(jié)省內(nèi)存空間 。

Part4.頁面置換算法

當(dāng)物理內(nèi)存已滿，而又需要加載新的頁面時(shí)，操作系統(tǒng)就需要決定將哪個(gè)頁面從內(nèi)存中置換出去，這就用到了頁面置換算法 。頁面置換算法的目標(biāo)是盡可能減少缺頁中斷的次數(shù)，提高系統(tǒng)性能。

圖片

4.1 LRU（最近最少使用）算法

LRU 算法的核心思想是：如果一個(gè)頁面在最近一段時(shí)間內(nèi)沒有被訪問，那么在未來它被訪問的概率也較低 ，所以當(dāng)內(nèi)存已滿需要置換頁面時(shí)，就選擇最近最少使用的頁面淘汰出去 。

假設(shè)內(nèi)存中最多能容納 3 個(gè)頁面，頁面訪問序列為 1, 2, 3, 4, 2, 1, 5, 6, 2, 1, 2, 3, 7, 6, 3, 2, 1, 2, 3, 6 。

1. 最初，內(nèi)存為空，依次訪問頁面 1, 2, 3，此時(shí)內(nèi)存中頁面為 1, 2, 3。
2. 當(dāng)訪問頁面 4 時(shí)，內(nèi)存已滿，需要置換頁面。根據(jù) LRU 算法，最近最少使用的頁面是 1（因?yàn)?1 最早進(jìn)入內(nèi)存且之后未被訪問），所以將 1 置換出去，內(nèi)存中頁面變?yōu)?4, 2, 3 。
3. 接著訪問頁面 2，2 在內(nèi)存中，不需要置換，更新 2 的訪問時(shí)間，使其成為最近使用的頁面，內(nèi)存中頁面順序變?yōu)?2, 4, 3 。
4. 訪問頁面 1 時(shí)，內(nèi)存中沒有 1，需要置換頁面。此時(shí)最近最少使用的是 3，將 3 置換出去，把 1 放入內(nèi)存，內(nèi)存中頁面變?yōu)?2, 4, 1 。
5. 以此類推，隨著頁面的不斷訪問，LRU 算法會(huì)根據(jù)頁面的使用情況動(dòng)態(tài)地置換頁面，以保證內(nèi)存中始終是最近最常使用的頁面 。

在實(shí)際實(shí)現(xiàn) LRU 算法時(shí)，常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是雙向鏈表和哈希表 。雙向鏈表用于維護(hù)頁面的訪問順序，鏈表頭部是最近使用的頁面，鏈表尾部是最近最少使用的頁面 。哈希表用于快速查找某個(gè)頁面是否在內(nèi)存中以及獲取其在雙向鏈表中的位置 。當(dāng)訪問一個(gè)頁面時(shí)，如果頁面在內(nèi)存中，通過哈希表找到其在鏈表中的位置，將其移動(dòng)到鏈表頭部；如果頁面不在內(nèi)存中，先從鏈表尾部刪除最近最少使用的頁面（同時(shí)更新哈希表），再將新頁面插入到鏈表頭部并更新哈希表 。

4.2其他常見算法

FIFO（先進(jìn)先出）算法：這種算法非常直觀，它按照頁面進(jìn)入內(nèi)存的先后順序進(jìn)行置換 。即最早進(jìn)入內(nèi)存的頁面最先被置換出去 。還是以上面的頁面訪問序列為例，最初內(nèi)存為空，依次放入1, 2, 3 。當(dāng)訪問 4 時(shí)，由于內(nèi)存已滿，根據(jù) FIFO 算法，最早進(jìn)入的 1 被置換出去，內(nèi)存變?yōu)?2, 3, 4 。FIFO 算法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單，但它沒有考慮頁面的使用頻率，可能會(huì)把一些仍然被頻繁訪問的頁面置換出去，導(dǎo)致缺頁率較高 。例如，如果有一個(gè)程序需要頻繁訪問最早進(jìn)入內(nèi)存的某個(gè)頁面，F(xiàn)IFO 算法就會(huì)不斷地將其置換出去又換進(jìn)來，增加了系統(tǒng)開銷 。

LFU（最不經(jīng)常使用）算法：LFU 算法根據(jù)頁面的訪問頻率來決定置換哪個(gè)頁面 。它為每個(gè)頁面設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器，每當(dāng)頁面被訪問時(shí)，計(jì)數(shù)器加 1 。當(dāng)內(nèi)存已滿需要置換頁面時(shí)，選擇計(jì)數(shù)器值最小（即訪問頻率最低）的頁面淘汰 。假設(shè)內(nèi)存中已有頁面 1, 2, 3，它們的訪問次數(shù)分別為 3, 2, 1 。當(dāng)需要置換頁面時(shí)，LFU 算法會(huì)選擇訪問次數(shù)為 1 的頁面 3 進(jìn)行置換 。LFU 算法能較好地反映頁面的實(shí)際使用情況，但它需要維護(hù)每個(gè)頁面的訪問次數(shù)，實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜一些 。

Part5.虛擬內(nèi)存與進(jìn)程

5.1進(jìn)程的虛擬地址空間布局

圖片

在 Linux 系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程都擁有自己獨(dú)立的虛擬地址空間，就像每個(gè)租客都有自己獨(dú)立的房間，互不干擾 。以 32 位系統(tǒng)為例，這個(gè)虛擬地址空間的大小為 4GB（2^32 字節(jié)），它被劃分為不同的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都有特定的用途和特點(diǎn) ：

1. 代碼段（Text Segment）：這是程序的只讀部分，存放著程序的機(jī)器指令（也就是我們編寫的代碼被編譯后的二進(jìn)制形式）和只讀數(shù)據(jù)，如字符串常量 。它的特點(diǎn)是只讀，這就像是一本被鎖起來的書，只能讀取內(nèi)容，不能修改，這樣可以防止程序在運(yùn)行時(shí)意外修改自身的代碼，保證了程序執(zhí)行的穩(wěn)定性和安全性 。每個(gè)進(jìn)程只有一個(gè)代碼段，并且在內(nèi)存中是共享的，例如多個(gè)進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行同一個(gè)可執(zhí)行文件，它們共享的就是同一段代碼段 。
2. 數(shù)據(jù)段（Data Segment）：用于存放已初始化的全局變量和靜態(tài)變量 。這些變量在程序編譯時(shí)就已經(jīng)確定了初始值，并且在程序運(yùn)行期間一直存在 。數(shù)據(jù)段屬于靜態(tài)內(nèi)存分配，一旦程序加載到內(nèi)存中，數(shù)據(jù)段的大小就基本固定下來了 。比如在C語言中定義的int global_variable = 10;，這個(gè)global_variable就存放在數(shù)據(jù)段中 。
3. BSS 段（Block Started by Symbol Segment）：主要存放未初始化的全局變量和靜態(tài)變量 。與數(shù)據(jù)段不同，BSS 段在可執(zhí)行文件中并不占用實(shí)際的磁盤空間，只是記錄了這些變量所需的空間大小 。在程序開始執(zhí)行前，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將 BSS 段中的變量初始化為 0 。例如，在 C 語言中定義的int uninitialized_global_variable;，它就位于 BSS 段 。BSS 段屬于靜態(tài)內(nèi)存分配，它的存在可以節(jié)省可執(zhí)行文件的大小，因?yàn)椴恍枰獮槲闯跏蓟淖兞吭诖疟P上存儲(chǔ)初始值 。
4. 堆（Heap Segment）：是進(jìn)程運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的區(qū)域，通過malloc、calloc、realloc等函數(shù)進(jìn)行內(nèi)存分配，使用free函數(shù)釋放內(nèi)存 。堆的大小是動(dòng)態(tài)變化的，可以根據(jù)程序的需求進(jìn)行擴(kuò)張或縮減 。它從低地址向高地址增長，就像一個(gè)可以不斷向上堆疊物品的貨架 。在 C語言中，使用malloc函數(shù)分配內(nèi)存時(shí)，例如int *p = (int *)malloc(10 * sizeof(int));，這 10 個(gè)int類型大小的內(nèi)存空間就是從堆中分配出來的 。不過，如果在使用堆內(nèi)存時(shí)，忘記釋放不再使用的內(nèi)存，就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏 。
5. 棧（Stack Segment）：用于存放函數(shù)的局部變量、函數(shù)調(diào)用的參數(shù)、返回地址等信息 。它是一種后進(jìn)先出（LIFO，Last In First Out）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就像一個(gè)放盤子的棧，最后放上去的盤子最先被拿走 。棧由操作系統(tǒng)自動(dòng)管理，當(dāng)函數(shù)被調(diào)用時(shí)，相關(guān)的局部變量和參數(shù)等會(huì)被壓入棧中；函數(shù)執(zhí)行結(jié)束后，這些數(shù)據(jù)會(huì)從棧中彈出，自動(dòng)釋放內(nèi)存 。棧的大小通常是固定的，在Linux系統(tǒng)中，一般默認(rèn)的棧大小為 8MB 。如果在函數(shù)中定義了過多的局部變量或者遞歸調(diào)用層數(shù)過深，導(dǎo)致棧空間不夠用，就會(huì)發(fā)生棧溢出（Stack Overflow）錯(cuò)誤 。
6. 文件映射段（Memory - Mapped Segment）：用于映射文件、共享內(nèi)存、動(dòng)態(tài)鏈接庫等 。通過mmap系統(tǒng)調(diào)用可以將文件的一部分或全部映射到進(jìn)程的虛擬地址空間中，使得進(jìn)程可以像訪問內(nèi)存一樣訪問文件，提高了文件 I/O 的效率 。同時(shí)，共享內(nèi)存也利用了這個(gè)區(qū)域，多個(gè)進(jìn)程可以通過映射同一個(gè)共享內(nèi)存區(qū)域來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和進(jìn)程間通信 。動(dòng)態(tài)鏈接庫在加載時(shí)也會(huì)被映射到這個(gè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)代碼和數(shù)據(jù)的共享 。

5.2進(jìn)程內(nèi)存分配

進(jìn)程在運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常需要?jiǎng)討B(tài)分配內(nèi)存來存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù) 。在 C 語言中，最常用的內(nèi)存分配函數(shù)就是 malloc 。當(dāng)我們調(diào)用 malloc 函數(shù)時(shí)，它會(huì)在堆上為我們分配一塊指定大小的內(nèi)存空間 。例如， int *p = (malloc(10 * sizeof(int))); 這行代碼就會(huì)在堆上分配 10 個(gè) int 類型大小的內(nèi)存空間，并返回一個(gè)指向這塊內(nèi)存起始地址的指針p 。

那么，malloc函數(shù)是如何在堆上分配內(nèi)存的呢？實(shí)際上，malloc并不是直接與操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理機(jī)制打交道，而是通過 glibc（GNU C Library）來實(shí)現(xiàn)的 。在 glibc 中，維護(hù)了一個(gè)內(nèi)存池，當(dāng)我們調(diào)用malloc時(shí)，它首先會(huì)在內(nèi)存池中查找是否有足夠的空閑內(nèi)存來滿足請(qǐng)求 。如果內(nèi)存池中有足夠的空閑內(nèi)存，就直接從內(nèi)存池中分配內(nèi)存，并返回相應(yīng)的指針 。這樣可以減少系統(tǒng)調(diào)用的開銷，提高內(nèi)存分配的效率 。因?yàn)橄到y(tǒng)調(diào)用涉及到用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換，這種切換會(huì)帶來一定的性能損耗 。

然而，如果內(nèi)存池中的空閑內(nèi)存不足以滿足請(qǐng)求，malloc函數(shù)就會(huì)借助系統(tǒng)調(diào)用與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互 。在 Linux 系統(tǒng)中，主要涉及到兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用：brk和mmap 。

brk 系統(tǒng)調(diào)用：brk系統(tǒng)調(diào)用通過移動(dòng)程序數(shù)據(jù)段的結(jié)束地址（也就是 “堆頂” 指針）來增加堆的大小，從而分配新的內(nèi)存 。例如，假設(shè)當(dāng)前堆的大小為 100 字節(jié)，當(dāng)調(diào)用brk函數(shù)并傳入一個(gè)大于當(dāng)前堆頂?shù)刂返闹担?150 字節(jié)時(shí)，堆就會(huì)擴(kuò)展到 150 字節(jié)，新增加的 50 字節(jié)內(nèi)存就可以用于分配 。brk分配的內(nèi)存是連續(xù)的，適合小塊內(nèi)存的頻繁分配和釋放 。但是，由于brk分配的內(nèi)存是基于堆的連續(xù)擴(kuò)展，如果頻繁地分配和釋放小塊內(nèi)存，可能會(huì)導(dǎo)致堆內(nèi)存碎片化，即堆中出現(xiàn)很多不連續(xù)的空閑小內(nèi)存塊，這些小內(nèi)存塊可能無法滿足后續(xù)較大內(nèi)存塊的分配請(qǐng)求 。例如，先分配了一個(gè) 10 字節(jié)的內(nèi)存塊，再釋放它，然后又分配一個(gè) 20 字節(jié)的內(nèi)存塊，這樣在堆中就可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè) 10 字節(jié)的空閑小內(nèi)存塊，而如果后續(xù)需要分配一個(gè) 30 字節(jié)的內(nèi)存塊，由于這個(gè) 10 字節(jié)的空閑塊無法滿足需求，且與其他空閑塊不連續(xù)，就可能導(dǎo)致分配失敗 。

mmap 系統(tǒng)調(diào)用：mmap系統(tǒng)調(diào)用則是通過在文件映射區(qū)域分配一塊內(nèi)存來滿足請(qǐng)求 。它可以將文件的全部或部分內(nèi)容映射到進(jìn)程的虛擬內(nèi)存中，進(jìn)程可以像訪問內(nèi)存一樣讀寫文件的內(nèi)容，而不需要顯式地進(jìn)行文件 I/O 操作 。同時(shí)，mmap也可以創(chuàng)建匿名映射，即不與任何文件關(guān)聯(lián)的內(nèi)存映射，用于在進(jìn)程間共享內(nèi)存或作為大塊內(nèi)存的分配器 。通常情況下，當(dāng)請(qǐng)求的內(nèi)存大小小于一定閾值（在大多數(shù)系統(tǒng)中，這個(gè)閾值通常為 128KB）時(shí)，malloc函數(shù)會(huì)優(yōu)先使用brk系統(tǒng)調(diào)用來分配內(nèi)存；當(dāng)請(qǐng)求的內(nèi)存大小大于這個(gè)閾值時(shí)，則會(huì)使用mmap系統(tǒng)調(diào)用 。這是因?yàn)閙map分配內(nèi)存的開銷相對(duì)較大，對(duì)于小塊內(nèi)存的分配不太劃算，而對(duì)于大塊內(nèi)存的分配，mmap可以避免堆內(nèi)存碎片化的問題，并且能更好地管理和釋放內(nèi)存 。例如，當(dāng)需要分配一個(gè) 1MB 的內(nèi)存塊時(shí)，使用mmap可以直接在文件映射區(qū)域分配一塊連續(xù)的 1MB 內(nèi)存，而如果使用brk，可能需要多次擴(kuò)展堆，并且容易導(dǎo)致堆內(nèi)存碎片化 。

Part6.交換空間

6.1交換空間的作用

交換空間（swap space）在虛擬內(nèi)存中扮演著至關(guān)重要的角色，它就像是一個(gè) “內(nèi)存儲(chǔ)備倉庫” 。當(dāng)系統(tǒng)的物理內(nèi)存（RAM）不足以滿足所有正在運(yùn)行的進(jìn)程和應(yīng)用程序的內(nèi)存需求時(shí)，交換空間就會(huì)發(fā)揮作用 。

具體來說，Linux 內(nèi)核會(huì)將那些暫時(shí)不活躍（也就是很長時(shí)間沒有被訪問）的內(nèi)存頁（pages）從物理內(nèi)存轉(zhuǎn)移到交換空間（通常是硬盤上的特定區(qū)域） ，這個(gè)過程被稱為 “換出”（swapping out）或 “頁面置換”（paging out） 。通過這種方式，物理內(nèi)存中就騰出了空間，可供那些更活躍、更急需內(nèi)存的進(jìn)程使用 。

例如，當(dāng)你同時(shí)打開了多個(gè)大型應(yīng)用程序，如瀏覽器、視頻編輯軟件、音樂播放器等，物理內(nèi)存可能會(huì)被迅速耗盡 。此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將一些暫時(shí)不需要訪問的內(nèi)存數(shù)據(jù)，比如音樂播放器當(dāng)前沒有播放的音頻數(shù)據(jù)、瀏覽器中暫時(shí)未顯示的網(wǎng)頁緩存數(shù)據(jù)等，轉(zhuǎn)移到交換空間中 。這樣，其他更需要內(nèi)存的操作，如視頻編輯軟件的實(shí)時(shí)預(yù)覽、瀏覽器加載新的網(wǎng)頁，就可以在有限的物理內(nèi)存中順利進(jìn)行 。

而當(dāng)進(jìn)程需要訪問已經(jīng)被交換到磁盤上的內(nèi)存頁時(shí)，就會(huì)發(fā)生 “缺頁中斷”（page fault） 。這時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)從交換空間中把相應(yīng)的內(nèi)存頁讀取回物理內(nèi)存，這個(gè)過程被稱為 “換入”（swapping in）或 “頁面調(diào)入”（paging in） 。

雖然交換空間能夠在物理內(nèi)存不足時(shí)，提供額外的內(nèi)存支持，防止系統(tǒng)因內(nèi)存耗盡而崩潰，讓系統(tǒng)仍然可以繼續(xù)運(yùn)行 。但是，由于硬盤的讀寫速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)存的讀寫速度，頻繁地使用交換空間會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能明顯下降 。所以，交換空間只是物理內(nèi)存的一種補(bǔ)充手段，理想情況下，系統(tǒng)應(yīng)該有足夠的物理內(nèi)存，盡量減少對(duì)交換空間的依賴 。

6.2交換空間的類型

交換空間主要有兩種類型：交換分區(qū)和交換文件，它們各自有不同的特點(diǎn)。

①交換分區(qū)：交換分區(qū)是硬盤上專門劃分出來用于交換空間的獨(dú)立分區(qū)，在系統(tǒng)安裝過程中就可以進(jìn)行設(shè)置 。比如在安裝 Linux 系統(tǒng)時(shí)，通過分區(qū)工具（如 fdisk、parted 等）將硬盤的一部分空間指定為交換分區(qū)，其分區(qū)類型一般為 “Linux swap” 。它獨(dú)立于系統(tǒng)的主文件系統(tǒng)運(yùn)行，就像一個(gè)獨(dú)立的小倉庫，專門用來存放從物理內(nèi)存中換出的內(nèi)存頁 。

• 優(yōu)點(diǎn)：交換分區(qū)的效率相對(duì)較高，因?yàn)樗谟脖P上是連續(xù)的空間，沒有文件系統(tǒng)的額外開銷 。而且在安裝階段創(chuàng)建時(shí)，通常會(huì)被放置在硬盤驅(qū)動(dòng)器的較快區(qū)域（更靠近外邊緣），這使得數(shù)據(jù)的訪問和寫入速度更快 。同時(shí)，它與主文件系統(tǒng)分開，能有效防止碎片化，減少對(duì)系統(tǒng)文件的干擾 ，就像一個(gè)獨(dú)立的小房間，不會(huì)和其他雜物混在一起 。
• 缺點(diǎn)：一旦創(chuàng)建，交換分區(qū)的大小就相對(duì)固定，如果想要更改其大小，就需要對(duì)磁盤進(jìn)行重新分區(qū) 。這是一個(gè)比較復(fù)雜且有風(fēng)險(xiǎn)的操作，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或系統(tǒng)故障 ，就好比你要擴(kuò)大一個(gè)房間的面積，需要對(duì)整個(gè)房子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行大改造，很容易出問題 。另外，如果交換分區(qū)設(shè)置得過大，而實(shí)際使用量很少，就會(huì)浪費(fèi)磁盤空間；反之，如果設(shè)置得過小，在內(nèi)存需求高峰期可能無法滿足系統(tǒng)的需求，限制系統(tǒng)性能 。

②交換文件：交換文件是在系統(tǒng)現(xiàn)有文件系統(tǒng)中的一種特殊文件，其作用和交換分區(qū)相同 。可以通過命令（如dd命令創(chuàng)建文件，再用mkswap命令將其設(shè)置為交換文件）在需要時(shí)創(chuàng)建 。例如，使用dd if=/dev/zero of=/swapfile bs=1024 count=8192命令創(chuàng)建一個(gè)大小約為 8MB 的交換文件/swapfile ，然后使用mkswap /swapfile將其初始化為交換文件 。

• 優(yōu)點(diǎn)：交換文件具有很高的靈活性 。它可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求隨時(shí)調(diào)整大小、刪除或移動(dòng) 。比如，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存需求突然增加時(shí)，可以增大交換文件的大小；當(dāng)內(nèi)存需求減少時(shí)，又可以減小或刪除交換文件，這使得它非常適合內(nèi)存需求不斷變化的系統(tǒng) ，就像一個(gè)可以隨時(shí)調(diào)整大小的收納箱 。此外，交換文件使用現(xiàn)有文件系統(tǒng)中的空間，在不使用時(shí)不會(huì)浪費(fèi)磁盤空間，并且可以根據(jù)內(nèi)存需求動(dòng)態(tài)增長 。
• 缺點(diǎn)：由于交換文件存在于文件系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)的管理和維護(hù)會(huì)帶來一些額外的開銷，而且可能會(huì)產(chǎn)生碎片化問題 。在傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)中，交換文件的性能通常比交換分區(qū)慢 。不過，隨著現(xiàn)代文件系統(tǒng)（如 ext4、Btrfs 等）的發(fā)展，這些問題得到了很大程度的緩解，現(xiàn)在交換文件和交換分區(qū)的性能差異已經(jīng)不是很明顯 。但在高負(fù)載情況下，大量的交換操作仍可能對(duì)文件系統(tǒng)的正常文件操作產(chǎn)生干擾 。

6.3 Swappiness 參數(shù)

Swappiness 是 Linux 操作系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的參數(shù)，它控制著內(nèi)核將內(nèi)存頁交換到磁盤（也就是使用交換空間）的傾向程度 。其取值范圍是 0 - 100，代表的是一個(gè)百分比 。

當(dāng) Swappiness 的值為 0 時(shí)，意味著內(nèi)核盡可能地避免使用交換空間，即使物理內(nèi)存非常緊張，也會(huì)優(yōu)先嘗試其他方式來滿足內(nèi)存需求，比如回收緩存等 。而當(dāng) Swappiness 的值為 100 時(shí)，則表示內(nèi)核總是傾向于使用交換空間，即使物理內(nèi)存還有較多的空閑空間，也可能會(huì)將內(nèi)存頁交換到磁盤 。Swappiness 參數(shù)的調(diào)整對(duì)于系統(tǒng)性能有著直接且顯著的影響 。

在系統(tǒng)內(nèi)存緊張時(shí)，合理設(shè)置 Swappiness 值可以幫助優(yōu)化系統(tǒng)的反應(yīng)速度和整體性能 。例如，對(duì)于高負(fù)載的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，由于數(shù)據(jù)庫操作對(duì)內(nèi)存的讀寫速度要求極高，頻繁的磁盤 I/O 操作會(huì)嚴(yán)重影響性能，因此通常會(huì)將 Swappiness 值設(shè)置得很低（如 10 - 20） ，以減少交換的使用頻率，避免因頻繁訪問交換空間（磁盤）導(dǎo)致的性能瓶頸 。而在一些內(nèi)存較大且對(duì)內(nèi)存使用不太敏感的系統(tǒng)中，適當(dāng)提高 Swappiness 值（如設(shè)置為 30 - 50） ，可以有效利用系統(tǒng)資源，將一些暫時(shí)不用的內(nèi)存頁交換到磁盤，減少因內(nèi)存資源閑置而造成的浪費(fèi) 。

調(diào)整方法：查看當(dāng)前系統(tǒng)的 Swappiness 值，可以使用命令cat /proc/sys/vm/swappiness 。如果想要臨時(shí)修改 Swappiness 值（重啟后失效） ，可以使用sysctl命令，例如將 Swappiness 值臨時(shí)設(shè)置為 10 ，命令為sysctl vm.swappiness=10 。如果希望永久修改 Swappiness 值，則需要編輯/etc/sysctl.conf文件，在文件中添加或修改vm.swappiness = 10這一行，然后執(zhí)行sysctl -p使修改生效 。在調(diào)整 Swappiness 參數(shù)時(shí)，需要謹(jǐn)慎操作，因?yàn)椴缓线m的設(shè)置可能會(huì)帶來一些問題 。

如果設(shè)置得過小，雖然減少了交換空間的使用，但可能會(huì)導(dǎo)致物理內(nèi)存被過度使用，當(dāng)物理內(nèi)存耗盡時(shí)，系統(tǒng)可能會(huì)觸發(fā) “內(nèi)存不足（OOM，Out - Of - Memory）” 殺手機(jī)制，強(qiáng)制殺掉一些進(jìn)程來釋放內(nèi)存，這可能會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行 。而如果設(shè)置得過大，系統(tǒng)會(huì)頻繁地進(jìn)行內(nèi)存頁的交換操作，由于磁盤 I/O 速度遠(yuǎn)低于內(nèi)存速度，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能大幅下降，用戶會(huì)明顯感覺到系統(tǒng)變得卡頓 。所以，在調(diào)整 Swappiness 參數(shù)之前，需要對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)存使用情況、應(yīng)用程序的特點(diǎn)等進(jìn)行充分的了解和分析，并且在調(diào)整后密切監(jiān)控系統(tǒng)的性能指標(biāo)，如內(nèi)存使用率、磁盤 I/O 情況、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間等，以確保調(diào)整后的參數(shù)能夠使系統(tǒng)達(dá)到最佳的性能狀態(tài) 。

Part7.內(nèi)存管理單元（MMU）

7.1 MMU的功能

內(nèi)存管理單元（Memory Management Unit，MMU）是計(jì)算機(jī)硬件中負(fù)責(zé)處理中央處理器（CPU）內(nèi)存訪問請(qǐng)求的關(guān)鍵組件 ，在虛擬內(nèi)存管理中扮演著核心角色。

圖片

它的首要功能是地址轉(zhuǎn)換，這是實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存機(jī)制的基礎(chǔ)。在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程都擁有自己獨(dú)立的虛擬地址空間，程序在運(yùn)行時(shí)使用的是虛擬地址 。而 MMU 的職責(zé)就是將這些虛擬地址轉(zhuǎn)換為實(shí)際的物理地址，以便 CPU 能夠正確訪問內(nèi)存中的數(shù)據(jù) 。例如，在 x86 架構(gòu)的計(jì)算機(jī)中，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程嘗試訪問虛擬地址 0x12345678 時(shí)，MMU 會(huì)通過查詢頁表（Page Table），將這個(gè)虛擬地址映射到對(duì)應(yīng)的物理地址上，如 0x87654321 ，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)程對(duì)內(nèi)存的訪問 。

MMU 還承擔(dān)著內(nèi)存保護(hù)的重要任務(wù) 。它通過硬件機(jī)制來確保進(jìn)程只能訪問被授權(quán)的內(nèi)存區(qū)域，防止進(jìn)程間的非法內(nèi)存訪問 。比如，MMU 可以為每個(gè)內(nèi)存頁面設(shè)置訪問權(quán)限，如只讀、讀寫、執(zhí)行等 。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程試圖以不被允許的方式訪問內(nèi)存時(shí)，MMU 會(huì)觸發(fā)異常，通知操作系統(tǒng)進(jìn)行處理 。假設(shè)一個(gè)進(jìn)程嘗試寫入一個(gè)被設(shè)置為只讀的內(nèi)存頁面，MMU 就會(huì)檢測到這個(gè)非法操作，并產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)存訪問錯(cuò)誤異常，操作系統(tǒng)可以根據(jù)這個(gè)異常來采取相應(yīng)的措施，如終止該進(jìn)程，以保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性 。這種內(nèi)存保護(hù)機(jī)制對(duì)于多任務(wù)操作系統(tǒng)來說至關(guān)重要，它使得多個(gè)進(jìn)程能夠在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，避免了因一個(gè)進(jìn)程的錯(cuò)誤而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰的情況 。

mmu開啟以后會(huì)有以下特點(diǎn)：

• 多個(gè)程序獨(dú)立運(yùn)行
• 虛擬地址是連續(xù)的（物理內(nèi)存可以有碎片）
• 允許操作系統(tǒng)管理內(nèi)存

下圖顯示的系統(tǒng)說明了內(nèi)存的虛擬和物理視圖。單個(gè)系統(tǒng)中的不同處理器和設(shè)備可能具有不同的虛擬地址映射和物理地址映射。操作系統(tǒng)編寫程序，使MMU在這兩個(gè)內(nèi)存視圖之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

圖片

要做到這一點(diǎn)，虛擬內(nèi)存系統(tǒng)中的硬件必須提供地址轉(zhuǎn)換，即將處理器發(fā)出的虛擬地址轉(zhuǎn)換為主內(nèi)存中的物理地址。MMU使用虛擬地址中最重要的位來索引轉(zhuǎn)換表中的條目，并確定正在訪問哪個(gè)塊。MMU將代碼和數(shù)據(jù)的虛擬地址轉(zhuǎn)換為實(shí)際系統(tǒng)中的物理地址。該轉(zhuǎn)換將在硬件中自動(dòng)執(zhí)行，并且對(duì)應(yīng)用程序是透明的。除了地址轉(zhuǎn)換之外，MMU還可以控制每個(gè)內(nèi)存區(qū)域的內(nèi)存訪問權(quán)限、內(nèi)存順序和緩存策略。

MMU對(duì)執(zhí)行的任務(wù)或應(yīng)用程序可以不了解系統(tǒng)的物理內(nèi)存映射，也可以不了解同時(shí)運(yùn)行的其他程序。每個(gè)程序可以使用相同的虛擬內(nèi)存地址空間。即使物理內(nèi)存是碎片化的，還可以使用一個(gè)連續(xù)的虛擬內(nèi)存映射。此虛擬地址空間與系統(tǒng)中內(nèi)存的實(shí)際物理映射分開的。應(yīng)用程序被編寫、編譯和鏈接，以在虛擬內(nèi)存空間中運(yùn)行。

圖片

如上圖所示，TLB是MMU中最近訪問的頁面翻譯的緩存。對(duì)于處理器執(zhí)行的每個(gè)內(nèi)存訪問，MMU將檢查轉(zhuǎn)換是否緩存在TLB中。如果所請(qǐng)求的地址轉(zhuǎn)換在TLB中導(dǎo)致命中，則該地址的翻譯立即可用。TLB本質(zhì)是一塊高速緩存。數(shù)據(jù)cache緩存地址(虛擬地址或者物理地址)和數(shù)據(jù)。TLB緩存虛擬地址和其映射的物理地址。TLB根據(jù)虛擬地址查找cache，它沒得選，只能根據(jù)虛擬地址查找。所以TLB是一個(gè)虛擬高速緩存。

每個(gè)TLB entry通常不僅包含物理地址和虛擬地址，還包含諸如內(nèi)存類型、緩存策略、訪問權(quán)限、地址空間ID（ASID）和虛擬機(jī)ID（VMID）等屬性。如果TLB不包含處理器發(fā)出的虛擬地址的有效轉(zhuǎn)換，稱為TLB Miss，則將執(zhí)行外部轉(zhuǎn)換頁表查找。MMU內(nèi)的專用硬件使它能夠讀取內(nèi)存中的轉(zhuǎn)換表。

然后，如果翻譯頁表沒有導(dǎo)致頁面故障，則可以將新加載的翻譯緩存在TLB中，以便進(jìn)行后續(xù)的重用。簡單概括一下就是：硬件存在TLB后，虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換過程發(fā)生了變化。虛擬地址首先發(fā)往TLB確認(rèn)是否命中cache，如果cache hit直接可以得到物理地址。否則，一級(jí)一級(jí)查找頁表獲取物理地址。并將虛擬地址和物理地址的映射關(guān)系緩存到TLB中。

如果操作系統(tǒng)修改了可能已經(jīng)緩存在TLB中的轉(zhuǎn)換的entry，那么操作系統(tǒng)就有責(zé)任使這些未更新的TLB entry invaild。當(dāng)執(zhí)行A64代碼時(shí)，有一個(gè)TLBI，它是一個(gè)TLB無效的指令:

TLBI <type><level>{IS} {, <Xt>}

TLB可以保存固定數(shù)量的entry。可以通過由轉(zhuǎn)換頁表遍歷引起的外部內(nèi)存訪問次數(shù)和獲得高TLB命中率來獲得最佳性能。ARMv8-A體系結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)被稱為連續(xù)塊entry的特性，以有效地利用TLB空間。轉(zhuǎn)換表每個(gè)entry都包含一個(gè)連續(xù)的位。當(dāng)設(shè)置時(shí)，這個(gè)位向TLB發(fā)出信號(hào)，表明它可以緩存一個(gè)覆蓋多個(gè)塊轉(zhuǎn)換的單個(gè)entry。查找可以索引到連續(xù)塊所覆蓋的地址范圍中的任何位置。因此，TLB可以為已定義的地址范圍緩存一個(gè)entry從而可以在TLB中存儲(chǔ)更大范圍的虛擬地址。

7.2 MMU 與 TLB（轉(zhuǎn)譯后備緩沖器）

轉(zhuǎn)譯后備緩沖器（Translation Lookaside Buffer，TLB）是 MMU 中的一個(gè)高速緩存 ，它在虛擬內(nèi)存管理中與 MMU 協(xié)同工作，極大地提高了地址轉(zhuǎn)換的效率 。

TLB 中存儲(chǔ)了最近使用的頁表項(xiàng)（Page Table Entry，PTE） ，這些頁表項(xiàng)記錄了虛擬地址到物理地址的映射關(guān)系 。當(dāng) CPU 需要進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換時(shí)，MMU 首先會(huì)在 TLB 中查找對(duì)應(yīng)的虛擬地址 。如果在 TLB 中找到了匹配的頁表項(xiàng)（即 TLB 命中） ，MMU 就可以直接獲取到對(duì)應(yīng)的物理地址，而無需訪問內(nèi)存中的頁表 ，這大大縮短了地址轉(zhuǎn)換的時(shí)間 。例如，假設(shè) CPU 需要訪問虛擬地址 0x12345678，MMU 會(huì)先在 TLB 中查找這個(gè)虛擬地址 。如果 TLB 中已經(jīng)緩存了該虛擬地址對(duì)應(yīng)的頁表項(xiàng)，MMU 就能立即得到物理地址，直接從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，整個(gè)過程非常快速 。

然而，如果在 TLB 中沒有找到匹配的頁表項(xiàng)（即 TLB 未命中） ，MMU 就需要從內(nèi)存中的頁表中讀取相應(yīng)的頁表項(xiàng) 。這個(gè)過程相對(duì)較慢，因?yàn)閮?nèi)存訪問的速度遠(yuǎn)低于 TLB 的訪問速度 。在從內(nèi)存中讀取到頁表項(xiàng)后，MMU 會(huì)將其存入 TLB 中，以便下次訪問相同的虛擬地址時(shí)能夠快速命中 。假設(shè)在上述例子中，TLB 未命中，MMU 就會(huì)訪問內(nèi)存中的頁表，找到虛擬地址 0x12345678 對(duì)應(yīng)的物理地址 。然后，MMU 會(huì)把這個(gè)頁表項(xiàng)存入 TLB 中，當(dāng)下次 CPU 再次訪問這個(gè)虛擬地址時(shí)，就可以在 TLB 中快速找到對(duì)應(yīng)的物理地址，提高了地址轉(zhuǎn)換的效率 。

LB的原理如下：

1. 當(dāng)CPU訪問一個(gè)虛擬地址時(shí)，首先檢查TLB中是否有對(duì)應(yīng)的頁表項(xiàng)。
2. 如果TLB中有對(duì)應(yīng)的頁表項(xiàng)（即命中），則直接從TLB獲取物理地址。
3. 如果TLB中沒有對(duì)應(yīng)的頁表項(xiàng)（即未命中），則需要訪問內(nèi)存來獲取正確的頁表項(xiàng)。
4. 在未命中情況下，操作系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行相應(yīng)處理，從主存中獲取正確的頁表項(xiàng)，并將其加載到TLB中以供后續(xù)使用。
5. 一旦正確的頁表項(xiàng)加載到TLB中，CPU再次訪問相同虛擬地址時(shí)就可以直接在TLB中找到映射關(guān)系，提高了轉(zhuǎn)換效率。

TLB具有快速查找和高效緩存機(jī)制，能夠極大地減少查詢頁表所需的時(shí)間。然而，由于TLB是有限容量的，在大型程序或多任務(wù)環(huán)境下可能無法完全覆蓋所有需要轉(zhuǎn)換的頁面。當(dāng)發(fā)生TLB未命中時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致額外的內(nèi)存訪問開銷；操作系統(tǒng)會(huì)負(fù)責(zé)管理和維護(hù)TLB，包括緩存策略、TLB的刷新機(jī)制等。常見的緩存策略有全相聯(lián)、組相聯(lián)和直接映射等。可以說，TLB 就像是 MMU 的 “高速助手”，通過緩存常用的頁表項(xiàng)，減少了 MMU 訪問內(nèi)存中頁表的次數(shù)，從而顯著提高了虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換速度，進(jìn)而提升了整個(gè)系統(tǒng)的性能 。

Part8.內(nèi)存相關(guān)工具與命令

8.1查看內(nèi)存使用情況的命令

①free：這是一個(gè)非常基礎(chǔ)且常用的命令，用于快速查看系統(tǒng)內(nèi)存的使用情況，它的輸出結(jié)果是對(duì)/proc/meminfo文件信息的一個(gè)簡潔概述 。執(zhí)行free命令后，會(huì)得到如下格式的輸出（以字節(jié)為單位）：

total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:      16355940352  2766014464 12694421504    126959616  909540432  13069271040
Swap:     2097147904    53391360  2043756544

其中，total表示總內(nèi)存大小；used表示已使用的內(nèi)存大小；free表示空閑內(nèi)存大小；shared表示共享內(nèi)存大小；buff/cache表示緩沖區(qū)和緩存所占用的內(nèi)存大小；available表示系統(tǒng)可用于分配給新進(jìn)程的內(nèi)存大小 。通過這些信息，我們可以快速了解系統(tǒng)內(nèi)存的整體使用狀況，判斷是否存在內(nèi)存不足或內(nèi)存使用不合理的情況 。如果used接近或超過total，且available較小，可能意味著系統(tǒng)內(nèi)存緊張，需要進(jìn)一步排查和優(yōu)化 。

②top：是一個(gè)動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)資源使用情況的命令，類似于 Windows 系統(tǒng)中的任務(wù)管理器 。它不僅能實(shí)時(shí)展示內(nèi)存使用情況，還能查看 CPU 使用率、每個(gè)進(jìn)程的資源占用等詳細(xì)信息 。在終端中輸入top命令后，會(huì)進(jìn)入一個(gè)交互式界面，不斷實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)狀態(tài) 。界面的主要部分包括：

top - 14:20:12 up 2 days,  1:23,  2 users,  load average: 0.00, 0.01, 0.05
Tasks: 152 total,   1 running, 151 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
%Cpu(s):  0.3 us,  0.3 sy,  0.0 ni, 99.3 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
KiB Mem :  8161844 total,  7433924 free,   149744 used,   578176 buff/cache
KiB Swap:  2097148 total,  2097148 free,        0 used.  7663360 avail Mem

  PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND
    1 root      20   0   12844   7448   4564 S   0.0  0.1   0:02.33 systemd
    2 root      20   0       0      0      0 S   0.0  0.0   0:00.00 kthreadd

• 系統(tǒng)狀態(tài)信息：如系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間、系統(tǒng)已運(yùn)行時(shí)間、當(dāng)前登錄用戶數(shù)、系統(tǒng)負(fù)載（1 分鐘、5 分鐘、15 分鐘的平均負(fù)載） 。例如，top - 15:32:45 up 2 days, 3:12, 1 user, load average: 0.05, 0.03, 0.01，這里顯示了系統(tǒng)在 15:32:45 時(shí)的狀態(tài)，已運(yùn)行 2 天 3 小時(shí) 12 分鐘，有 1 個(gè)用戶登錄，1 分鐘、5 分鐘、15 分鐘的平均負(fù)載分別為 0.05、0.03、0.01 。
• 進(jìn)程狀態(tài)信息：展示所有進(jìn)程的總數(shù)、正在運(yùn)行的進(jìn)程數(shù)、睡眠的進(jìn)程數(shù)、停止的進(jìn)程數(shù)和僵尸進(jìn)程數(shù) 。比如，Tasks: 200 total, 2 running, 198 sleeping, 0 stopped, 0 zombie，表示共有 200 個(gè)進(jìn)程，2 個(gè)正在運(yùn)行，198 個(gè)處于睡眠狀態(tài)，沒有停止和僵尸進(jìn)程 。
• CPU 使用情況：顯示用戶空間（us）、內(nèi)核空間（sy）、改變過優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程（ni）、空閑（id）、等待 I/O（wa）、硬中斷（hi）、軟中斷（si）、虛擬 CPU 等待實(shí)際 CPU（st）等各部分占用 CPU 的百分比 。例如，%Cpu(s): 0.5 us, 0.3 sy, 0.0 ni, 99.1 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st，表示用戶空間占用 CPU 0.5%，內(nèi)核空間占用 0.3%，空閑 CPU 為 99.1% 等 。
• 內(nèi)存使用情況：呈現(xiàn)物理內(nèi)存（Mem）和交換內(nèi)存（Swap）的總量、已使用量、空閑量等 。例如，KiB Mem :16355940 total, 12694421 free, 2766014 used, 909540 buff/cache，KiB Swap:2097148 total, 2043756 free, 53391 used 。在top命令的交互界面中，還可以通過一些按鍵操作進(jìn)行更多的功能設(shè)置 。比如按M鍵可以根據(jù)駐留內(nèi)存大小對(duì)進(jìn)程進(jìn)行排序，方便快速找到占用內(nèi)存較大的進(jìn)程；按P鍵可以根據(jù) CPU 使用百分比對(duì)進(jìn)程排序；按1鍵可以顯示各個(gè)邏輯 CPU 的使用情況等 。

③htop：是top命令的增強(qiáng)版本，提供了更直觀、更豐富的信息展示 。它以彩色界面顯示，并且支持鼠標(biāo)操作，使得用戶交互更加便捷 。在htop界面中，不僅可以看到每個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存實(shí)時(shí)使用率，還能詳細(xì)了解每個(gè)進(jìn)程的常駐內(nèi)存大小（RES）、程序總內(nèi)存大小（VIRT）、共享庫大小（SHR）等信息 。與top相比，htop的進(jìn)程列表可以水平及垂直滾動(dòng)，方便查看更多進(jìn)程的詳細(xì)信息 。例如，在處理大量進(jìn)程的服務(wù)器環(huán)境中，htop能夠更輕松地定位到需要關(guān)注的進(jìn)程，并且其直觀的界面設(shè)計(jì)使得內(nèi)存使用情況一目了然，對(duì)于系統(tǒng)管理員來說是一個(gè)非常實(shí)用的工具 。

8.2內(nèi)存分析工具

Valgrind：是一款功能強(qiáng)大的內(nèi)存調(diào)試、內(nèi)存泄漏檢測以及性能分析工具 。它主要用于檢測 C 和 C++ 程序中的內(nèi)存錯(cuò)誤，包括內(nèi)存泄漏、非法內(nèi)存訪問（如越界訪問、使用未初始化的內(nèi)存等） 。例如，在一個(gè) C 語言程序中，如果使用malloc分配了內(nèi)存，但在程序結(jié)束時(shí)沒有調(diào)用free釋放內(nèi)存，就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏 。使用 Valgrind 可以很容易地檢測到這種問題 。假設(shè)我們有一個(gè)簡單的 C 程序test.c：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *p = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
    // 這里沒有釋放p指向的內(nèi)存
    return 0;
}

編譯該程序后，使用 Valgrind 運(yùn)行：valgrind./test ，Valgrind 會(huì)輸出詳細(xì)的錯(cuò)誤信息，指出內(nèi)存泄漏的位置和大小，類似如下內(nèi)容：

==12345== Memcheck, a memory error detector
==12345== Copyright (C) 2002-2017, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==12345== Using Valgrind-3.15.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==12345== Command:./test
==12345== 
==12345== HEAP SUMMARY:
==12345==     in use at exit: 40 bytes in 1 blocks
==12345==   total heap usage: 1 allocs, 0 frees, 40 bytes allocated
==12345== 
==12345== 40 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
==12345==    at 0x4C2FB0F: malloc (in /usr/lib/valgrind/vgpreload_memcheck-amd64-linux.so)
==12345==    by 0x10918F: main (test.c:6)
==12345== 
==12345== LEAK SUMMARY:
==12345==    definitely lost: 40 bytes in 1 blocks
==12345==    indirectly lost: 0 bytes in 0 blocks
==12345==      possibly lost: 0 bytes in 0 blocks
==12345==    still reachable: 0 bytes in 0 blocks
==12345==         suppressed: 0 bytes in 0 blocks
==12345== 
==12345== For lists of detected and suppressed errors, rerun with: -s
==12345== ERROR SUMMARY: 1 errors from 1 contexts (suppressed: 0 from 0)

通過這些信息，我們可以清楚地知道在test.c的第 6 行分配的 40 字節(jié)內(nèi)存沒有被釋放，從而能夠及時(shí)修復(fù)代碼中的內(nèi)存泄漏問題 。除了檢測內(nèi)存泄漏，Valgrind 還能檢測其他內(nèi)存錯(cuò)誤，如數(shù)組越界訪問：

#include <stdio.h>

int main() {
    int arr[5];
    arr[10] = 100; // 越界訪問
    return 0;
}

使用 Valgrind 運(yùn)行該程序，它會(huì)輸出類似如下的錯(cuò)誤提示：

==12345== Memcheck, a memory error detector
==12345== Copyright (C) 2002-2017, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==12345== Using Valgrind-3.15.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==12345== Command:./test
==12345== 
==12345== Invalid write of size 4
==12345==    at 0x10919D: main (test.c:5)
==12345==  Address 0x4c38050 is 20 bytes after a block of size 20 alloc'd
==12345==    at 0x4C2FB0F: malloc (in /usr/lib/valgrind/vgpreload_memcheck-amd64-linux.so)
==12345==    by 0x10918F: main (test.c:4)
==12345== 
==12345== ERROR SUMMARY: 1 errors from 1 contexts (suppressed: 0 from 0)

提示在test.c的第5行發(fā)生了無效的寫操作，因?yàn)樵L問的數(shù)組下標(biāo)超出了數(shù)組的范圍 。Valgrind的這些功能對(duì)于提高程序穩(wěn)定性和可靠性非常重要，特別是在開發(fā)大型項(xiàng)目時(shí)，能夠幫助開發(fā)者及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決內(nèi)存相關(guān)的問題 。

Part9.實(shí)際問題與案例分析

9.1內(nèi)存泄漏問題

內(nèi)存泄漏是指程序在申請(qǐng)內(nèi)存后，無法釋放已申請(qǐng)的內(nèi)存空間 ，導(dǎo)致這些內(nèi)存被持續(xù)占用，無法被其他程序或進(jìn)程使用 。從進(jìn)程的角度來看，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程不斷地分配內(nèi)存，但沒有及時(shí)釋放不再使用的內(nèi)存，隨著時(shí)間的推移，進(jìn)程占用的內(nèi)存會(huì)越來越多，而系統(tǒng)中可用于分配的內(nèi)存則會(huì)逐漸減少 。例如，在一個(gè)長時(shí)間運(yùn)行的服務(wù)器程序中，如果存在內(nèi)存泄漏問題，可能會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器的內(nèi)存被逐漸耗盡，最終影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能 。

在 Linux 系統(tǒng)中，可以使用 Valgrind 工具來檢測內(nèi)存泄漏 。假設(shè)我們有一個(gè)簡單的 C 程序leak.c：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *p = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
    // 這里沒有釋放p指向的內(nèi)存
    return 0;
}

編譯該程序后，使用 Valgrind 運(yùn)行：valgrind --leak-check=full./leak ，Valgrind 會(huì)輸出詳細(xì)的內(nèi)存泄漏信息，如下：

==1234== Memcheck, a memory error detector
==1234== Copyright (C) 2002-2017, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==1234== Using Valgrind-3.15.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==1234== Command:./leak
==1234== 
==1234== HEAP SUMMARY:
==1234==     in use at exit: 40 bytes in 1 blocks
==1234==   total heap usage: 1 allocs, 0 frees, 40 bytes allocated
==1234== 
==1234== 40 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
==1234==    at 0x4C2FB0F: malloc (in /usr/lib/valgrind/vgpreload_memcheck-amd64-linux.so)
==1234==    by 0x10918F: main (leak.c:6)
==1234== 
==1234== LEAK SUMMARY:
==1234==    definitely lost: 40 bytes in 1 blocks
==1234==    indirectly lost: 0 bytes in 0 blocks
==1234==      possibly lost: 0 bytes in 0 blocks
==1234==    still reachable: 0 bytes in 0 blocks
==1234==         suppressed: 0 bytes in 0 blocks
==1234== 
==1234== For lists of detected and suppressed errors, rerun with: -s
==1234== ERROR SUMMARY: 1 errors from 1 contexts (suppressed: 0 from 0)

從輸出中可以看出，在leak.c的第 6 行分配了 40 字節(jié)的內(nèi)存，但沒有釋放，導(dǎo)致內(nèi)存泄漏 。

一旦檢測到內(nèi)存泄漏，就需要及時(shí)處理 。對(duì)于簡單的內(nèi)存泄漏問題，如上述例子，只需要在合適的位置添加內(nèi)存釋放的代碼即可 。在上述程序中，我們可以在return 0;之前添加free(p);來釋放分配的內(nèi)存 。但在實(shí)際的大型項(xiàng)目中，內(nèi)存泄漏的排查和處理可能會(huì)比較復(fù)雜，需要仔細(xì)分析代碼邏輯，找出內(nèi)存分配和釋放的不合理之處 。有時(shí)候，內(nèi)存泄漏可能是由于復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或函數(shù)調(diào)用關(guān)系導(dǎo)致的，這就需要借助調(diào)試工具和技術(shù)，逐步跟蹤內(nèi)存的分配和使用情況，以定位和解決內(nèi)存泄漏問題 。

9.2 OOM（Out Of Memory）問題

OOM 即內(nèi)存溢出，是指程序在申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)，沒有足夠的內(nèi)存空間供其使用 。在 Linux 系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存嚴(yán)重不足時(shí)，內(nèi)核有兩種主要的應(yīng)對(duì)策略：一是直接觸發(fā)系統(tǒng)崩潰（panic） ，這是一種極端情況，通常只有在系統(tǒng)內(nèi)存極度匱乏且無法通過其他方式解決時(shí)才會(huì)發(fā)生；二是啟動(dòng) OOM Killer（內(nèi)存不足殺手）機(jī)制 ，內(nèi)核會(huì)根據(jù)一定的算法選擇并殺掉一些占用內(nèi)存較大的進(jìn)程，以釋放內(nèi)存，保證系統(tǒng)的基本運(yùn)行 。

OOM Killer 在選擇要?dú)⒌舻倪M(jìn)程時(shí)，會(huì)為每個(gè)進(jìn)程計(jì)算一個(gè) oom_score 值 。oom_score 的計(jì)算涉及多個(gè)因素，包括進(jìn)程占用的物理內(nèi)存頁數(shù)、交換區(qū)頁數(shù)以及頁表（Page Table）數(shù)量等 。例如，一個(gè)進(jìn)程占用了大量的物理內(nèi)存，且頻繁地進(jìn)行內(nèi)存交換操作，它的 oom_score 值就會(huì)相對(duì)較高，也就更容易被 OOM Killer 選中殺掉 。此外，每個(gè)進(jìn)程還有一個(gè) oom_score_adj 參數(shù)，用戶可以通過調(diào)整這個(gè)參數(shù)來改變進(jìn)程被 OOM Killer 殺掉的優(yōu)先級(jí) 。當(dāng) oom_score_adj 的值為 - 1000 時(shí)，表示該進(jìn)程不會(huì)被 OOM Killer 殺掉 ；而值越大，進(jìn)程被 OOM Killer 殺掉的可能性就越高 。

為了避免 OOM 問題的發(fā)生，可以采取以下措施：

• 優(yōu)化程序內(nèi)存使用：仔細(xì)檢查程序代碼，避免內(nèi)存泄漏問題，及時(shí)釋放不再使用的內(nèi)存 。合理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，減少不必要的內(nèi)存占用 。例如，在處理大數(shù)據(jù)集時(shí)，可以采用分塊處理的方式，避免一次性加載過多數(shù)據(jù)到內(nèi)存中 。
• 監(jiān)控內(nèi)存使用情況：使用如 top、htop、free 等命令實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和進(jìn)程的內(nèi)存使用情況 。通過監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)存使用異常的進(jìn)程，提前采取措施，如調(diào)整進(jìn)程的內(nèi)存分配或優(yōu)化其算法 。
• 合理設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)：根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求，合理調(diào)整 Swappiness 參數(shù)，平衡物理內(nèi)存和交換空間的使用 。同時(shí)，也可以根據(jù)需要調(diào)整其他與內(nèi)存管理相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)，如/proc/sys/vm/overcommit_memory 。該參數(shù)用于控制內(nèi)存分配的策略，取值為 0 時(shí)，內(nèi)核會(huì)盡量檢查是否有足夠的內(nèi)存可供分配，只有在確定有足夠內(nèi)存時(shí)才會(huì)分配；取值為 1 時(shí)，內(nèi)核允許分配超過實(shí)際物理內(nèi)存大小的內(nèi)存，這可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存不足的風(fēng)險(xiǎn)增加，但在某些情況下可以提高系統(tǒng)的性能；取值為 2 時(shí)，內(nèi)核會(huì)嚴(yán)格按照系統(tǒng)的物理內(nèi)存和交換空間大小來分配內(nèi)存，不允許超過這個(gè)范圍 。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)系統(tǒng)的負(fù)載和內(nèi)存需求，謹(jǐn)慎選擇合適的overcommit_memory值 。