Linux性能及調優(yōu)指南：內存架構

1.2 Linux內存架構

為了執(zhí)行一個進程，Linux內核為請求的進程分配一部分內存區(qū)域。該進程使用該內存區(qū)域作為其工作區(qū)并執(zhí)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(zhí)行你的工作類似。不同之處是內核必須使用更動態(tài)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(jié)，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(tǒng)的問題。對于企業(yè)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(tǒng)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(tǒng)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(jié)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(jié)。

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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中的調優(yōu)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)內存的瓶頸，它恰恰證明了Linux管理系統(tǒng)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(xù)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(jié)。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(tǒng)

Linux內核通過一種被稱作伙伴系統(tǒng)的機制管理空閑頁?；锇橄到y(tǒng)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(qū)域的連續(xù)。如果不考慮分散的小頁，將會導致內存碎片，并導致在連續(xù)區(qū)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(tǒng)如何分配頁。

圖1-13 伙伴系統(tǒng)

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(tǒng)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(xiàn)在不再使用，但基于某些原則仍然被標記為活動狀態(tài)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(tài)，當某一區(qū)域中的自由頁低于一個閾值時，kswapd線程會被伙伴系統(tǒng)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?；顒恿斜砗头腔顒恿斜肀挥糜诰S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(qū)，而“swap out”是指把整個地址空間放到swap區(qū)。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(qū)）

如前所述，當頁回收發(fā)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(fā)生交換本身并不意味著發(fā)生了什么狀況。雖然在其他系統(tǒng)中，swap只不過是萬一發(fā)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(qū)共同組成。在Linux的虛擬內存管理的實現(xiàn)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?？梢钥吹饺鏶etty的守護進程，它們通常當系統(tǒng)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(qū)似乎是更加高效的。這正是Linux管理swap的方式，因此當你發(fā)現(xiàn)交換區(qū)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(tǒng)資源。