Linux 性能分析總結之 內存工做原理（三）

0x00 前言

在寫完了 CPU 的的性能分析筆記後，接下來是分析內存的性能問題，在分析內存的性能問題以前，確定是須要瞭解內存的原理，這裏的原理指的是內存軟件層面的原理，如內存如何進行分配、釋放等等，而不是說內存的硬件結構、內存寄存器、TLB 等等。

0x01 內存映射

經常咱們在買電腦前，咱們都關心一個參數：內存大小，這直接關係到咱們電腦的性能，但這裏的大小指的是物理內存的大小，而在操做系統上，咱們的程序在運行的過程當中並非直接使用物理內存的，而是用到了虛擬內存，即經過將物理內存映射成虛擬內存供進程使用，這也正是計算機世界的規則之抽象和分層。

當程序被執行的時候，全部用到的內存地址都是虛擬內存的地址，而後再由操做系統將虛擬地址轉換成物理地址，這樣程序便無需關心真正的物理地址是什麼，從而在程序編譯的時候無需知道真正的物理地址，同時不一樣的進程之間也起到的隔離的做用。

具體的內存映射能夠總結出如下幾點:

1. 虛擬地址分爲內核空間和用戶空間，同時虛擬內存模型是一個倒着的棧，棧底是高地址。以下所示：
   
2. 虛擬地址和物理地址之間是要經過一個東西關聯的，就像一個索引，而這個東西就是頁表，Linux 用的是四級頁表

0x02 內存分配與回收

分配

C 標準庫使用 malloc 函數提供內存分配，有兩種實現方式：

1. brk()：分配小於 128k 的內存，經過移動堆頂的位置
2. mmap()：分配大於 128k 的內存，在文件映射段找一塊空閒的內存分配出去
3. slab 分配器: 分配小於 1k 的內存，用的內存是 blk 釋放的被緩存起來的內存

優缺點

1. brk(): 頻繁內存分配會形成內存碎片
2. mmap：內存用完了會放掉，而後再次申請會有缺頁異常，使內核的負擔增大

釋放

1. 回收緩存： LRU算法
2. 回收不常訪問的內存，swap 到磁盤：可能會致使性能問題
3. OOM：使用 oom_score 的權重殺進程

0x03 內存參數

free（全局）

1. total: 總內存
2. used: 已使用內存
3. free: 未使用內存
4. shared: 共享
5. buff/cache: 緩存和緩衝
6. available: 新進程

top (單個進程)

1. VIRT(Virtual): 進程虛擬內存，只要申請過就會計算，即便沒分配物理內存，因此會比實際的物理內存大不少
2. RES(Resident): 常駐內存，即實際物理內存，不包括 swap
3. SHR(Shared): 共享內存，好比根據前面的虛擬內存圖所示，動態庫段和程序代碼段都屬於共享內存，但也不是全部 Shared 都是共享的，有些非共享的動態庫也算在了裏面
4. MEM%: 物理內存的佔用百分比了

0x04 總結

今天的筆記總結下來就是，先不討論內存的物理結構（或許後續會總結下計算機原理的內存硬件結構~），在軟件層面使用內存：

1. 不直接使用物理內存，進程是使用虛擬內存，這也是計算機抽象的一種體現
2. 內存的分配和回收的方式的種類和方式
3. 在 Linux 上如何查看內存的參數

在瞭解了內存的基本一些原理後，咱們即可以進行深刻的內存性能分析了。