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

1. 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。
   

2. 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。

3. 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。

1. 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。

• TLB 其实就是 MMU 中页表的高速缓存。由于进程的虚拟地址空间是独立的而 TLB 的访问速度又比 MMU 快得多所以通过减少进程的上下文切换减少 TLB 的刷新次数就可以提高 TLB 缓存的使用率进而提高 CPU 的内存访问性能。
• MMU 并不以字节为单位来管理内存而是规定了一个内存映射的最小单位也就是页通常是 4 KB 大小。这样每一次内存映射都需要关联 4 KB 或者 4KB 整数倍的内存空间。

2. 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HugePage。

• 多级页表把内存分成区块来管理将原来的映射关系改成区块索引和区块内的偏移。由于虚拟内存空间通常只用了很少一部分那么多级页表就只保存这些使用中的区块这样就可以大大地减少页表的项数。Linux 用的正是四级页表来管理内存页如下图所示虚拟地址被分为 5 个部分前 4 个表项用于选择页而最后一个索引表示页内偏移。
  
• 大页比普通页更大的内存块常见的大小有 2MB 和 1GB。大页通常用在使用大量内存的进程上比如 Oracle、DPDK 等。

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。

• 只读段包括代码和常量等。
• 数据段包括全局变量等。
• 堆包括动态分配的内存从低地址开始向上增长。
• 文件映射段包括动态库、共享内存等从高地址开始向下增长。
• 栈包括局部变量和函数调用的上下文等。栈的大小是固定的一般是 8 MB。

内存申请

1. 对小块内存小于 128KC 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。

• brk() 方式的缓存可以减少缺页异常的发生提高内存访问效率。不过由于这些内存没有归还系统在内存工作繁忙时频繁的内存分配和释放会造成内存碎片。之所以会产生内存碎片是由于brk分配的内存是推_edata指针从堆的低地址向高地址推进。这种情况下如果高地址的内存不释放低地址的内存是得不到释放的。

2. 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。
3. 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。

• 可以直接从物理内存中分配时被称为次缺页异常。
• 需要磁盘 I/O 介入比如 Swap时被称为主缺页异常。

4. 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

1. 回收缓存比如使用 LRULeast Recently Used算法回收最近使用最少的内存页面
2. 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
3. 杀死进程内存紧张时系统还会通过 OOMOut of Memory直接杀掉占用大量内存的进程。

OOM机制介绍

1. OOMOut of Memory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 oom_score 为每个进程的内存使用情况进行评分

• 一个进程消耗的内存越大oom_score 就越大
• 一个进程运行占用的 CPU 越多oom_score 就越小;

2. 管理员可以通过 /proc 文件系统手动设置进程的 oom_adj 从而调整进程的 oom_score。oom_adj 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
$ free
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:        8169348      263524     6875352         668     1030472     7611064
Swap:             0           0           0

• 第一列total 是总内存大小
• 第二列used 是已使用内存的大小包含了共享内存
• 第三列free 是未使用内存的大小
• 第四列shared 是共享内存的大小
• 第五列buff/cache 是缓存和缓冲区的大小
• 第六列available 是新进程可用内存的大小注意available 不仅包含未使用内存还包括了可回收的缓存所以一般会比未使用内存更大。不过并不是所有缓存都可以回收因为有些缓存可能正在使用中。

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 Mem


  PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND
  430 root      19  -1  122360  35588  23748 S   0.0  0.4   0:32.17 systemd-journal
 1075 root      20   0  771860  22744  11368 S   0.0  0.3   0:38.89 snapd
 1048 root      20   0  170904  17292   9488 S   0.0  0.2   0:00.24 networkd-dispat
    1 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
...

• VIRT 是进程虚拟内存的大小只要是进程申请过的内存即便还没有真正分配物理内存也会计算在内。
• RES 是常驻内存的大小也就是进程实际使用的物理内存大小但不包括 Swap 和共享内存。
• SHR 是共享内存的大小比如与其他进程共同使用的共享内存、加载的动态链接库以及程序的代码段等。
• %MEM 是进程使用物理内存占系统总内存的百分比。

工具图谱

基本优化思路

1. 最好禁止 Swap。如果必须开启 Swap降低 swappiness 的值减少内存回收时 Swap 的使用倾向。
2. 减少内存的动态分配。比如可以使用内存池、大页HugePage等。
3. 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。
4. 使用 cgroups 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。
5. 通过 /proc/pid/oom_adj 调整核心应用的 oom_score。这样可以保证即使内存紧张核心应用也不会被 OOM 杀死。