Linux内存管理机制

  内存是Linux内核所管理的最重要的资源之一，内存管理系统是操作系统中最为重要的部分。对于Linux的初学者来说，熟悉Linux的内存管理非常重要。
   
进程是运行于虚拟地址空间的一个程序。可以说，任何在Linux系统下运行的程序都是进程。Linux系统中包括交互进程和批处理进程。交互进程是由
Shell控制和运行的，既可以在前台运行，也可以在后台运行。批处理进程不属于某个终端，被提交到一个队列中以便顺序执行。大多数的进程都需要虚拟内
存。

    一般需要多少内存

    对于典型的Linux应用系统，128MB内存是合理的选择。如果不运行X-Window系统，那么在一台特殊用途的机器(比如用于调试设备驱动程序的“崩溃和烧毁”系统)上仅用8MB内存就可以工作。

   
笔者曾经做过实验，在128MB和256MB下编译内核所需的时间几乎一样，都少于3分半钟（笔者的Linux发行版本是Mandrake Linux
9.1,内核2.4.21）。在一个只有8MB内存的系统上，编译需要的时间会更长一些。类似Web浏览器这样的多媒体应用软件，在内存充足时会运行得更
流畅，特别是在一边编译程序，一边上网浏览的时候更是如此。因此，如果只有128MB内存，则预期的性能会有所降低。类似地，如果要开发消耗大量内存的应
用程序，可能会要求更多的内存。所以，需要多少内存由工作需求来决定。

    实时监控内存使用情况

    1.在命令行使用“Free”命令监控内存使用情况

    ＃free
                 total   used    free shared buffers cached
    Mem:        256024 192284   63740      0   10676 101004
    -/+ buffers/cache:  80604   75420
    Swap:       522072      0  522072

   
上面代码给出了一个256MB的RAM和512MB交换空间的系统情况。第三行输出(Mem:)显示物理内存。Total列不显示核心使用的物理内存(通
常大约1MB)。Used列显示被使用的内存总额(第二行不计缓冲)。Free列显示全部没有使用的内存。Shared列显示多个进程共享的内存总额。
Buffers列显示磁盘缓存的当前大小。第五行(Swap:)对换空间，显示的信息类似上面。如果这行为全0，那么就没有使用对换空间。在缺省的状态
下，free命令以千字节(也就是1024字节为单位)来显示内存使用情况。使用-h参数，以字节为单位显内存使用情况；或者使用-m参数，以兆字节为单
位显示内存使用情况。还可以通过-s参数，使用命令来不间断地监视内存使用情况：

    ＃free -b -s5

    这个命令将会在终端窗口中连续不断地报告内存的使用情况，每5秒钟更新一次。

    2.使甩vmstat命令监视虚拟内存使用情况

    ＃  vmstat
    procs ———–memory———- —swap– —–io—- –system– —-cpu—-
    r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in    cs us sy id wa
    1  0      0  63692  10704 101008    0    0   239    42  126   105 48 45  7  0

   
vmstat（）命令是一个通用监控程序，是Virtual Meomory
Statistics（虚拟内存统计）的缩写。如果使用vmstat命令的时候没有使用任何命令行参数，将会得到一个一次性的报告。vmstat命令报告
主要的活动类型有进程(procs)、内存(以千字节为单位)、交换分区(以千字节为单位)、来自块设备(硬盘驱动器)的输入输出量、系统中断(每秒钟发
生的次数)，以及中央处理单元(CPU)分配给用户、系统和空闲时分别占用的比例。

    虚拟内存实现的机制

   
存储管理子系统是操作系统中最重要的组成部分之一。在早期计算时代，由于人们所需要的内存数目远远大于物理内存，因此设计出了各种各样的策略来解决此问
题，其中最成功的就是虚拟内存技术，它使得系统中有限的物理内存竞争进程所需内存空间得到满足。虚拟内存通过在各个进程之间共享内存，而使系统看起来有多
于实际内存的内存容量。Linux支持虚拟内存,
就是使用磁盘作为RAM的扩展，使可用内存相应地有效扩大。核心把当前不用的内存块存到硬盘，腾出内存给其它目的。当原来的内容又要使用时，再读回内存。
运行于Linux的程序只看到大量的可用内存，而不关心哪部分在磁盘上。当然，读写硬盘比真的内存慢(大约慢千倍)，所以程序运行较慢。用做虚拟内存的这
部分硬盘叫对换空间。

    虚拟内存技术不仅仅让我们可以使用更多的内存，它还提供了下面这些功能：　

    1.巨大的寻址空间
   
操作系统让系统看上去有比实际内存大得多的内存空间。虚拟内存可以是系统中实际物理空间的许多倍。每个进程运行在其独立的虚拟地址空间中，这些虚拟空间相
互之间都完全隔离开来，所以进程间不会互相影响。同时，硬件虚拟内存机构可以将内存的某些区域设置成不可写，这样可以保护代码与数据不会受恶意程序的干
扰。　

    2.公平的物理内存分配
    内存管理子系统允许系统中每个运行的进程公平地共享系统中的物理内存。　

    3.共享虚拟内存
   
尽管虚拟内存允许进程有其独立的虚拟地址空间，但有时也需要在进程之间共享内存。例如，有可能系统中有几个进程同时运行BASH命令外壳程序。为了避免在
每个进程的虚拟内存空间内都存在BASH程序的拷贝，较好的解决办法是系统物理内存中只存在一份BASH的拷贝，并在多个进程间共享。动态库则是另外一种
进程间共享执行代码的方式。共享内存可用来作为进程间通信(IPC)的手段，多个进程通过共享内存来交换信息。Linux支持SYSTEM
V的共享内存IPC机制。　

    4.进程的保护
    系统中的每一个进程都有自己的虚拟地址空间。这些虚拟地址空间是完全分开的，这样一个进程的运行不会影响其它进程，并且硬件上的虚拟内存机制是被保护的，内存不能被写入。这样可以防止迷失的应用程序覆盖代码的数据。

    5.Linux虚拟内存实现机制
    Linux虚拟内存的实现需要6种机制的支持：地址映射机制、内存分配回收机制、缓存和刷新机制、请求页机制、交换机制和内存共享机制。

   
内存管理程序通过映射机制把用户程序的逻辑地址映射到物理地址。当用户程序运行时，如果发现程序中要用的虚地址没有对应的物理内存，就发出了请求页要求。
如果有空闲的内存可供分配，就请求分配内存(于是用到了内存的分配和回收)，并把正在使用的物理页记录在缓存中(使用了缓存机制)。如果没有足够的内存可
供分配，那么就调用交换机制；腾出一部分内存。另外，在地址映射中要通过TLB(翻译后援存储器)来寻找物理页；交换机制中也要用到交换缓存，并且把物理
页内容交换到交换文件中，也要修改页表来映射文件地址。Linux虚拟内存实现原理见图1。

     图1 Linux虚拟内存实现原理

    6.虚拟内存容量设定
   
也许有人说，虚拟内存容量的设定应该分配2倍于物理内存，但这只是个规律。如果物理内存比较小，可以这样设定。如果有256MB物理内存或更多的话，就可
以缩小虚拟内存。Linux会把大量的内存用做Cache，但在资源紧张时会收回。只要看到swap为0，或者该数很小就可以放心了，内存放着不用才是最
大的浪费。

   内存泄露和回收内存的方法

    1.内存泄漏的定义
   
一般常说的内存泄漏是指堆内存的泄漏。堆内存是指程序从堆中分配的、大小任意的（内存块的大小可以在程序运行期决定）、使用完后必须显示释放的内存。应用
程序一般使用malloc、realloc、new等函数从堆中分配到一块内存，使用完后，程序必须负责相应的调用free或delete释放该内存块。
否则，这块内存就不能被再次使用，我们就说这块内存泄漏了。

    2.内存泄露的危害
   
从用户使用程序的角度来看，内存泄漏本身不会产生什么危害。作为一般的用户，根本感觉不到内存泄漏的存在。真正有危害的是内存泄漏的堆积，这会最终消耗尽
系统所有的内存。从这个角度来说，一次性内存泄漏并没有什么危害，因为它不会堆积。而隐式内存泄漏危害性则非常大，因为较之于常发性和偶发性内存泄漏它更
难被检测到。存在内存泄漏问题的程序除了会占用更多的内存外，还会使程序的性能急剧下降。对于服务器而言，如果出现这种情况，即使系统不崩溃，也会严重影
响使用。

    3.内存泄露的检测和回收
   
对于内存溢出之类的麻烦，大家可能在编写指针比较多的复杂程序时就会遇到。在Linux或Unix下，C和C++语言是最常使用的工具。但是C++程序缺
乏相应的手段来检测内存信息，只能使用top指令观察进程的动态内存总额。而且程序退出时，我们无法获知任何内存泄漏信息。

   
(1)使用Linux命令回收内存，可以使用ps、kill两个命令检测内存使用情况和进行回收。在使用超级用户权限时使用命令“ps”，它会列出所有正
在运行的程序名称和对应的进程号（PID）。kill命令的工作原理是向Linux操作系统的内核送出一个系统操作信号和程序的进程号（PID）。

    下面举例说明，为了高效率回收内存可以使用命令ps参数v：

    ＃ps v
    PID TTY      STAT   TIME  MAJFL   TRS   DRS  RSS %MEM COMMAND
    2530 vc/1     S      0:00    104     6  1325  408  0.1 /sbin/mingetty tty1
    2531 vc/2     S      0:00    104     6  1325  408  0.1 /sbin/mingetty tty2
    2532 vc/3     S      0:00    104     6  1325  408  0.1 /sbin/mingetty tty3
    2533 vc/4     S      0:00    104     6  1325  408  0.1 /sbin/mingetty tty4
    2534 vc/5     S      0:00    104     6  1325  408  0.1 /sbin/mingetty tty5
    2535 vc/6     S      0:00    104     6  1325  408  0.1 /sbin/mingetty tty6
    2639 pts/1    S      0:00    545    16  2643  968  0.3 [su]
    2684 pts/1    S      0:00    361   586  2501 1592  0.6 bash
    2711 pts/0    S      0:00    545    16  2643  968  0.3 [su]
    2714 pts/0    S      0:00    361   586  2501 1592  0.6 bash
    2754 pts/2    S      0:00    545    16  2643  968  0.3 [su]
    2757 pts/2    S      0:00    361   586  2501 1592  0.6 bash
    2818 pts/1    S      0:00    120    29  1478  480  0.1 ping 192.168.1.7
    2939 pts/2    R      0:00    156    58  2469  644  0.2 ps -v

    如果想回收ping命令的内存的话，可以使用下面命令：
    ＃ kill －9 2818

    (2)使用工具软件
   
Memprof是一个非常具有吸引力且易于使用的软件，它由Red Hat的Owen
Talyor创立。这个工具用于GNOME前端的Boehm-Demers-Weiser垃圾回收器。这个工具直接就可以执行，并且其工作起来无需对源代
码进行任何修改。在程序执行时，这个工具会以图形化的方式显示内存的使用情况，工作界面见图2。

     图2 内存回收工具Memprof

    但是，该工具目前只能运行于x86和PPC体系结构的Linux系统之中，需要一个完整的GNOME环境。这样就使得其不能灵活用于所有的地方。此外，该工具的开发工作进展得也比较缓慢，现在是0.5.1版。

    上面讲述了Linux内存的概念、需要多少内存、实时监控内存使用情况、虚拟内存实现的机制，以及内存泄露和回收方法等五个方面内容，希望能对Linux初学者高效率使用内存系统有所帮助。