虛擬記憶體

• 我們通常所說的記憶體容量，比如 8GB，其實指的是實體記憶體。實體記憶體也稱為主存，大多數計算機用的主存都是動態隨機訪問記憶體（DRAM）。只有核心才可以直接訪問實體記憶體。
• Linux 核心給每個程序都提供了一個獨立的虛擬地址空間，並且這個地址空間是連續的。這樣，程序就可以很方便地訪問記憶體，更確切地說是訪問虛擬記憶體。
• 虛擬地址空間的內部又被分為核心空間和使用者空間兩部分，程序在使用者態時，只能訪問使用者空間記憶體；只有進入核心態後，才可以訪問核心空間記憶體。
• 並不是所有的虛擬記憶體都會分配實體記憶體，只有那些實際使用的虛擬記憶體才分配實體記憶體，並且分配後的實體記憶體，是通過記憶體對映來管理的。

記憶體對映

• 記憶體對映，其實就是將虛擬記憶體地址對映到實體記憶體地址。為了完成記憶體對映，核心為每個程序都維護了一張頁表，記錄虛擬地址與實體地址的對映關係，如下圖所示：

• 頁表實際上儲存在 CPU 的記憶體管理單元 MMU 中，這樣，正常情況下，處理器就可以直接通過硬體，找出要訪問的記憶體。
• 當程序訪問的虛擬地址在頁表中查不到時，系統會產生一個缺頁異常，進入核心空間分配實體記憶體、更新程序頁表，最後再返回使用者空間，恢復程序的執行。
• 頁的大小隻有 4 KB ，導致的另一個問題就是，整個頁表會變得非常大。比方說，僅 32 位系統就需要 100 多萬個頁表項（4GB/4KB），才可以實現整個地址空間的對映。
• 為了解決頁表項過多的問題，Linux 提供了兩種機制，也就是多級頁表和大頁（HugePage）。
  • 多級頁表就是把記憶體分成區塊來管理，將原來的對映關係改成區塊索引和區塊內的偏移。由於虛擬記憶體空間通常只用了很少一部分，那麼，多級頁表就只儲存這些使用中的區塊，這樣就可以大大地減少頁表的項數。
  • 大頁就是比普通頁更大的記憶體塊，常見的大小有 2MB 和 1GB。大頁通常用在使用大量記憶體的程序上，比如 Oracle、DPDK 等。

檢視記憶體使用情況

• 常用工具：free、top

• total 是總記憶體大小；
• used 是已使用記憶體的大小，包含了共享記憶體；
• free 是未使用記憶體的大小；
• shared 是共享記憶體的大小；
• buff/cache 是快取和緩衝區的大小；
• available 是新程序可用記憶體的大小。

• VIRT 是程序虛擬記憶體的大小，只要是程序申請過的記憶體，即便還沒有真正分配實體記憶體，也會計算在內;
• RES 是常駐記憶體的大小，也就是程序實際使用的實體記憶體大小，但不包括 Swap 和共享記憶體;
• SHR 是共享記憶體的大小，比如與其他程序共同使用的共享記憶體、載入的動態連結庫以及程式的程式碼段等;
• %MEM 是程序使用實體記憶體佔系統總記憶體的百分比。
• 注意點：
  • 第一，虛擬記憶體通常並不會全部分配實體記憶體。從上面的輸出，你可以發現每個程序的虛擬記憶體都比常駐記憶體大得多。
  • 第二，共享記憶體 SHR 並不一定是共享的，比方說，程式的程式碼段、非共享的動態連結庫，也都算在 SHR 裡。當然，SHR 也包括了程序間真正共享的記憶體。所以在計算多個程序的記憶體使用時，不要把所有程序的 SHR 直接相加得出結果。

Buffer/Cache

• Buffers 是核心緩衝區用到的記憶體，對應的是 /proc/meminfo 中的 Buffers 值。

  • Buffers 是對原始磁碟塊的臨時儲存，也就是用來快取磁碟的資料，通常不會特別大（20MB 左右）。這樣，核心就可以把分散的寫集中起來，統一優化磁碟的寫入，比如可以把多次小的寫合併成單次大的寫等等。

• Cache 是核心頁快取和 Slab 用到的記憶體，對應的是 /proc/meminfo 中的 Cached 與 SReclaimable 之和。

  • Cached 是從磁碟讀取檔案的頁快取，也就是用來快取從檔案讀取的資料。這樣，下次訪問這些檔案資料時，就可以直接從記憶體中快速獲取，而不需要再次訪問緩慢的磁碟。
  • SReclaimable 是 Slab 的一部分。Slab 包括兩部分，其中的可回收部分，用 SReclaimable 記錄；而不可回收部分，用 SUnreclaim 記錄。

記憶體分配器Slab（待續）