1.2 Linux內存架構

為了執行一個進程，Linux內核為請求的進程分配一部分內存區域。該進程使用該內存區域作為其工作區并執行請求的工作。它與你的申請一個辦公桌，然后使用辦公桌來擺放紙張、文檔和備忘錄來執行你的工作類似。不同之處是內核必須使用更動態的方式來分配內存空間。有時運行的進程數會達到數萬個，但內存的數量是有限的。因此，Linux內核必須有效地處理內存。在本節，我們將會講述Linux的內存結構、地址分布和Linux如何有效地管理內存空間。

1.2.1 物理和虛擬內存

今天我們已經要面對選擇32位和64位系統的問題。對于企業級客戶的其中一個最重要的不同是虛擬內存的地址是否能超過4GB。從性能的角度來看，理解32位和64位系統中Linux內核如何把物理內存映射到虛擬內核是重要的。

從圖1-10中，可以看出Linux內核在處理32位和64位系統內存的方式上的明顯的差別。介紹內存內存到虛擬內存的映射細節已經超出了本文的范圍，所以本文著重介紹Linux內存結構的部分細節。

在32位的架構上，如IA-32，Linux內核只能直接訪問物理內存的前1GB（當考慮部分保留是為896MB）。所謂的 ZONE_NORMAL之上的內存必須要被映射到1GB以上的內存中。該映射對于應用來說是完全透明的，但是在ZONE_HIGHMEM中申請內存頁會導致一個性能的稍微下降。

另一方面，在64位的架構上，如x86-64（也叫x64），ZONE_HIGHMEM可以一直延伸到64GB，或者在IA-64系統上可以延伸到128GB。正如你所見到的，通過64位的架構，內存頁從ZONE_HIGHMEM到ZONE_NORMAL的映射開銷可以被消除。

圖1-10 32位和64位系統的Linux內核內存布局

虛擬內存地址布局

圖1-11展示了32位和64位架構的Linux虛擬地址布局。

在32位架構上，一個進程能訪問的最大的地址空間為4GB。這是32位虛擬地址的一個限制。在標準的實現里，虛擬地址空間被分為3GB的用戶空間和1GB的內核空間。這有一點類似于4G/4G尋址布局實現的變種。

另一方面，在64位架構中，如x86-64和IA64，沒有此限制。每個單獨進程都能得益于于廣闊而巨大的地址空間。

圖1-11 32位和64位架構的虛擬內存地址布局

1.2.2 虛擬內存管理

操作系統的物理內存架構對于應用和用戶來說通常是不可見的，因為操作系統會把任何的物理內存都映射到虛擬內存中。如果我們想要理解在Linux操作系統中的調優的可能性，我們必須理解Linux如何處理虛擬內存。正如1.2.1中“物理內存和虛擬內存”的介紹，應用并不能申請物理內存，但當向Linux內核請求一定大小的內存映射，得到的是一個虛擬內存的映射。如圖1-12所示，虛擬內存不一定要映射到物理內存中。如果你的應用申請了大量的內存，這些內存中的一部分可能映射到磁盤的swap文件中。

圖1-12展示了，應用程序通常直接寫不直接寫磁盤，而是直接寫緩存（cache）或緩沖（buffer）。當pdflush內核線程空閑或者文件大小超出了緩存緩沖大小時，pdfflush內核線程會將緩存/緩沖的數據清空并寫入到磁盤中。參閱“清空臟緩沖”。

圖1-12 Linux虛擬內存管理

Linux內核處理物理磁盤的寫操作與Linux管理磁盤緩存緊密相連。其他的操作系統只分配部分內存作為磁盤緩存，而Linux處理內存資源則更加有效。默認的虛擬內存管理配置分配所有可用的空閑內存作為磁盤的緩存。因此在擁有大量內存的Linux系統中，經常看到只有20MB的空閑內存。

在相同的情況下，Linux管理swap空間也非常有效率。swap空間被使用時并不意味著出現內存的瓶頸，它恰恰證明了Linux管理系統資源如何的有效。詳見“頁幀回收”。

頁幀的分配

一頁是一組連續線性的物理內存（頁幀）或虛擬內存。Linux內核以頁為單位管理內存。一頁的大小通常為4K字節。當一個進程申請一定數量的頁時，如果可用的頁足夠，Linux內核馬上分配給進程。否則，內存頁必須從其他一些進程或內存頁緩存中獲取。Linux內存知道可用的內存頁的數量及位置。

伙伴系統

Linux內核通過一種被稱作伙伴系統的機制管理空閑頁。伙伴系統管理空閑頁并盡力為分配請求分配頁。它盡最大努力保持內存區域的連續。如果不考慮分散的小頁，將會導致內存碎片，并導致在連續區域內申請一大段的頁變得困難。它將導致效率低下的內存使用和性能下降。

圖1-13說明了伙伴系統如何分配頁。

圖1-13 伙伴系統

當嘗試分配頁失敗，頁回收會被激活。參閱“頁幀回收”。

你可以通過/proc/buddyinfo查找伙伴系統的信息。詳見“Memory used in a zone”。

頁幀回收

當一個進程請求一定數量的頁的映射時，如果頁不可用，Linux內核新的請求嘗試通過釋放某些頁（先前使用過但現在不再使用，但基于某些原則仍然被標記為活動狀態的頁）并分配內存給該進程。這個過程被稱為面幀回收。kswapd內核線程和try_to_free_page()內核函數被用來負責頁的回收。

kswapd線程通常處于可中斷的睡眠狀態，當某一區域中的自由頁低于一個閾值時，kswapd線程會被伙伴系統調用。它嘗試基于最近最少使用算法從活動頁中找出候選頁。最近最少使用的頁將會被首先釋放。活動列表和非活動列表被用于維護候選頁。kswapd掃描部分活動列表并檢查頁的使用情況，把最近沒有使用的頁放到非活動列表中。你可以使用vmstat -a命令查看哪些內存是活動的和哪些內存是非活動的。

kswapd也遵循其他原則。頁的使用主要是為了兩個用途：頁緩存和進程地址空間。頁緩存是頁映射到一個磁盤文件。屬于一個進程地址空間的頁（被稱為匿名內存，因為它沒有映射到任何文件，也沒有名字）被用于堆和棧。參閱1.1.8，“進程內存段”。當kswapd回收頁時，它將會盡量壓縮頁緩存而不是把進程的頁page out（或者swap out）。

Page out和swap out：“page out”和“swap out”很多時候都會被混淆。“page out”是指把頁（整個地址空間的一部分）放到swap區，而“swap out”是指把整個地址空間放到swap區。但是它們有時候可以交換使用。

大部分被回收和進程地址空間的頁緩存的回收取決于其使用場景，并將對性能產生影響。你可以通過使用/proc/sys/vm/swappiness對該行為進行一些控制。

swap（交換區）

如前所述，當頁回收發生時，在非活動列表中屬于該進程地址空間的候選頁將會被page out。發生交換本身并不意味著發生了什么狀況。雖然在其他系統中，swap只不過是萬一發生了主要內存的過度分配的一種保障，但是Linux更有效地使用swap空間。如圖1-12所示，虛擬內存由物理內存和磁盤或者swap分區共同組成。在Linux的虛擬內存管理的實現中，如果一個內存頁已經被分配，但是在一段時間內都沒有被使用，Linux會把該內存頁移動至swap空間中。

你經常可以看到如getty的守護進程，它們通常當系統啟動時被啟動，但幾乎不被使用。釋放頁所占的珍貴的主內存并把它移至交換區似乎是更加高效的。這正是Linux管理swap的方式，因此當你發現交換區已經使用了50%并不需要驚慌。事實上，swap空間開始被使用并不意味著內存瓶頸；相反地，它證明了Linux如何高效地管理系統資源。