linux性能优化-内存原理
一、Linux基础
只有内核才可以直接访问物理内存,Linux内核给每个进程都提供了一个独立的虚拟地址空间,并且这个地址空间是连续的。这样,进程通过访问虚拟内存来访问内存。
虚拟内存
虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间两部分,不同字长(也就是单个 CPU 指令可以处理数据的最大长度)的处理器,地址空间的范围也不同。比如最常见的 32 位和 64 位系统,以下两张图来分别表示它们的虚拟地址空间。32 位系统的内核空间占用 1G,位于最高处,剩下的 3G 是用户空间。而 64 位系统的内核空间和用户空间都是 128T,分别占据整个内存空间的最高和最低处,剩下的中间部分是未定义的。
进程在用户态时,只能访问用户空间内存;只有进入内核态后,才可以访问内核空间内存。虽然每个进程的地址空间都包含了内核空间,但这些内核空间,其实关联的都是相同的物理内存。
并不是所有的虚拟内存都会分配物理内存,只有那些实际使用的虚拟内存才分配物理内存,并且分配后的物理内存,是通过内存映射来管理的。
内存映射
将虚拟内存地址映射到物理内存地址的过程称为内存映射。为了完成内存映射,内核为每个进程都维护了一张页表,记录虚拟地址与物理地址的映射关系。
页表存储在 CPU 的内存管理单元 MMU (硬件)中,这样,正常情况下,处理器就可以直接通过硬件,找出要访问的内存。 为了解决页表项过多的问题,Linux 提供了两种机制,也就是多级页表和大页()。 虚拟内存空间分布
虚拟内存空间分布如图,最上方的内核空间不用多讲,下方的用户空间内存,其实又被分成了多个不同的段。以 32 位系统为例。
内存申请 对小块内存(小于 128K),C 标准库使用 brk() 来分配,也就是通过移动堆顶的位置来分配内存。这些内存释放后并不会立刻归还系统,而是被缓存起来,这样就可以重复使用。 大块内存(大于 128K),则直接使用内存映射 mmap() 来分配,也就是在文件映射段找一块空闲内存分配出去。当这两种调用发生后,其实并没有真正分配内存。这些内存,都只在首次访问时才分配,也就是通过缺页异常进入内核中,再由内核来分配内存。 上述的都是在用户空间发生的行为,在内核空间,Linux 则通过 slab 分配器来管理小内存。你可以把 slab 看成构建在伙伴系统上的一个缓存,主要作用就是分配并释放内核中的小对象。 内存回收 回收缓存:比如使用 LRU(Least Used)算法,回收最近使用最少的内存页面;回收不常访问的内存:把不常用的内存通过交换分区直接写到磁盘中;杀死进程:内存紧张时系统还会通过 OOM(Out of ),直接杀掉占用大量内存的进程。 OOM机制介绍 OOM(Out of ),其实是内核的一种保护机制。它监控进程的内存使用情况,并且使用 为每个进程的内存使用情况进行评分: 管理员可以通过 /proc 文件系统,手动设置进程的 ,从而调整进程的 。 的范围是 [-17, 15],数值越大,表示进程越容易被 OOM 杀死;数值越小,表示进程越不容易被 OOM 杀死,其中 -17 表示禁止 OOM。
echo -16 > /proc/$(pidof sshd)/oom_adj
二、排障 free
free 输出的是一个表格,其中的数值都默认以字节为单位。表格总共有两行六列,这两行分别是物理内存 Mem 和交换分区 Swap 的使用情况。
# 注意不同版本的free输出可能会有所不同
$ freetotal used free shared buff/cache available
Mem: 8169348 263524 6875352 668 1030472 7611064
Swap: 0 0 0
top
# 按下M切换到内存排序
$ top
...
KiB Mem : 8169348 total, 6871440 free, 267096 used, 1030812 buff/cache
KiB Swap: 0 total, 0 free, 0 used. 7607492 avail MemPID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND430 root 19 -1 122360 35588 23748 S 0.0 0.4 0:32.17 systemd-journal1075 root 20 0 771860 22744 11368 S 0.0 0.3 0:38.89 snapd1048 root 20 0 170904 17292 9488 S 0.0 0.2 0:00.24 networkd-dispat1 root 20 0 78020 9156 6644 S 0.0 0.1 0:22.92 systemd
12376 azure 20 0 76632 7456 6420 S 0.0 0.1 0:00.01 systemd
12374 root 20 0 107984 7312 6304 S 0.0 0.1 0:00.00 sshd
...
工具图谱
基本优化思路 最好禁止 Swap。如果必须开启 Swap,降低 的值,减少内存回收时 Swap 的使用倾向。减少内存的动态分配。比如,可以使用内存池、大页()等。尽量使用缓存和缓冲区来访问数据。比如,可以使用堆栈明确声明内存空间,来存储需要缓存的数据;或者用 Redis 这类的外部缓存组件,优化数据的访问。使用 等方式限制进程的内存使用情况。这样,可以确保系统内存不会被异常进程耗尽。通过 /proc/pid/ ,调整核心应用的 。这样,可以保证即使内存紧张,核心应用也不会被 OOM 杀死。