Linux 内存管理 pt.3

哈喽大家好，我是咸鱼

在《Linux 内存管理 pt.2》中我们学习了多级页表和大页，我们知道了由于历史遗留的问题，Linux 的页通常为 4KB

这样就会导致一个页表里面会有特别多页，为了解决这个问题，Linux 提供了两种解决方案——多级页表和大页

那么今天继续我们的 Linux 内存管理学习，我们今天要学习的是——内存的分配和回收

在 Linux 中，内存是如何被分配和回收的呢？

内存分配

在 Linux 中，内存的分配通常由 C 标准库提供的内存分配函数 malloc() 实现

当malloc() 函数需要分配内存时，它会调用这两个系统调用——即 brk() 和 mmap()

• brk()

对于小块内存（小于 128K大于 4K），使用 brk() 来分配，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

优缺点：

1. 减少缺页异常的发生，提高内存访问效率

2. 由于不会立刻归还释放的内存给系统，所以在内存工作繁忙时，频繁的内存分配和释放会造成内存碎片

• mmap()

对于大块内存（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，释放时直接归还系统

优缺点：

1. 在释放时直接归还系统，所以每次 mmap 都会发生缺页异常

2. 在内存工作繁忙时，频繁的内存分配会导致大量的缺页异常，使内核的管理负担增大。这也是 malloc 只对大块内存使用 mmap 的原因

需要注意的是，一开始调用内存分配函数的时候，其实是没有真正分配到物理内存
只有在进程首次访问时才分配，即通过缺页异常进入内核中，再由内核来分配内存

Linux 伙伴系统（buddy）

在 Linux 中，光知道如何分配内存还不行，还得知道该怎么分配

伙伴管理器是 Linux 系统中一种常见的内存分配算法，它可以让系统在分配物理内存时，快速地找到相应大小的可用内存块

前面说到，MMU 是一种硬件设备，负责虚拟内存和物理内存的映射关系。当内核需要访问某个虚拟内存时，MMU 将该虚拟地址转换为对应的物理内存地址，并通过伙伴系统的分配算法来定位相应的内存块

当内存释放时，伙伴系统将其标记为空闲，用于重新分配给其他进程。因此，伙伴系统和 MMU 相互协作，实现 Linux 操作系统的内存管理功能

上面说到，对于4K 至 128K 的内存用 brk() 来分配，对于大于 128k 的内存使用内存映射 mmap() 来分配。那如果要分配的内存小于 4K 呢?

实际系统运行的时候，有着许多内存小于 4K 的对象，如果为他们分配单独的页，那就太浪费内存了

所以 Linux 通过下面两种方式来分配小于 4K 的内存：

1、伙伴系统

当需要分配小于4K的内存时，内核会为之保留一个完整的物理页，并尽量将物理页分割成大小相同的小块。当有多个小块被请求时，内核会合并这些小块，最终分配

2、slab分配器

slab 分配器是 Linux 内核中的一个重要组成（你可以将slab 看成构建在伙伴系统上的一个缓存）它将一小块内存分配称为缓存（cache）

当需要分配小于 4K 的内存时，Slab 分配器会创建一个小的缓存来保存请求内存的块。每个缓存都有一个物理页的大小

如果已经分配完了所有内存块，Slab 分配器会重新分配一个完整的物理页作为缓存，以供后续请求使用

为了防止内存碎片化，slab 分配器会保留已经使用完的 slab 块并重复使用其中未被使用的空间，而不是将其释放回系统

内存回收

如果内存只分配而不释放，就会造成内存泄漏，甚至会耗尽系统内存

所以，在应用程序用完内存后，还需要调用 free() 或 unmap() ，来释放这些不用的内存

那么系统是如何回收内存的呢？

1、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（swap）直接写到磁盘中

Swap 其实就是把一块磁盘空间当成内存来用

它可以把进程暂时不用的数据存储到磁盘中（这个过程称为换出），当进程访问这些内存时，再从磁盘读取这些数据到内存中（这个过程称为换入）

通常只在内存不足时，才会发生 Swap 交换。并且由于磁盘读写的速度远比内存慢，Swap 会导致严重的内存性能问题

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（Out of Memory），其实是内核的一种保护机制，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

进程的 oom_score 越大，代表消耗的内存越多，也就越容易被 OOM 杀死

感谢阅读，喜欢作者就动动小手[一键三连]，这是我写作最大的动力