linux性能优化-内存原理

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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。
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  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。
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  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。
  1. 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。
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  • 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。
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  • 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 128K),C 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。
  1. 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。
  2. 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。
  1. 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 LRU(Least 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 OOM(Out of Memory),直接杀掉占用大量内存的进程。

OOM机制介绍

  1. OOM(Out 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;
  1. 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

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linux性能优化-内存原理文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-429173.html

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。

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