linux性能以內存篇

時間  2020-07-17
標籤 linux 性能 內存 欄目 Linux 简体版
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linux性能以內存篇

1、內存管理

​ linux內核給每個進程都提供了一個獨立的虛擬地址空間，而且這個地址空間是連續的。這樣，進程就能夠很方便地訪問內存，也就是虛擬內存。linux

​ 虛擬地址空間分爲：內核空間和用戶空間，不一樣字長（cpu指令能夠處理數據的最大長度）的處理器，地址空間的範圍也不一樣。如：32位和64位
linux性能以內存篇git

​ 進程在用戶態時，只能訪問用戶空間的內存；只有進入內核態時才能訪問內核空間內存。雖然每一個進程的地址空間都包含了內核空間，但這些內核空間，其實關聯的都是相同的物理內存。這樣，進程切換到內核態後，就能夠很方便地訪問內核空間內存。github

​ 每個進程都有一個這麼大的地址空間，那麼全部進程的虛擬內存加起來，天然要比實際的物理內存大的多。並非全部的虛擬內存都會分配物理內存，只有那些實際使用的虛擬內存才分配物理內存，而且分配後的物理內存，是經過內存映射來管理的。算法

​ 內存映射，其實就是將虛擬內存地址映射到物理內存地址。爲了完成內存映射，內核爲每個進程都維護了一張頁表，記錄虛擬地址與物理地址的映射關係docker

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​ 頁表實際存儲在cpu的內存管理單元MMU中，這樣，正常狀況下，處理器就能夠直接經過硬件，找到要訪問的內存。當進程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，進入內核空間分配物理內存、更新進程頁表，最後再返回用戶空間，恢復進程的運行。shell

​ TLB（備緩衝器），就是MMU中頁表的高速緩存。因爲進程的虛擬地址空間是獨立的，而TLB的訪問速度又比MMU快得多，因此，經過減小進程的上下文切換，減小TLB的刷新次數，就能夠提升TLB緩存的使用率，進而提升cpu的內存訪問性能。ubuntu

​ MMU不是以字節爲單位來管理內存，而是規定了一個內存映射的最小單位，也就是頁，大小4KB。每一次內存映射，都須要關聯4KB或者4KB整數倍的內存空間。centos

​ 爲了解決頁表項過多的問題，linux提供了兩種機制，也就是多級頁和大頁（HugePage）。緩存

​ 多級頁：就是把內存分紅區塊來管理，將原來的映射關係改爲塊索引和區塊內的偏移。因爲虛擬內存空間一般只用了不多一部分，那麼，多級頁就保存這些使用中的區塊，這樣就能夠大大地減小頁表的項數。app

​ linux使用四級頁表來管理內存頁。前4個表項用於選擇頁，最後一個索引表示頁內偏移。

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​ 大頁：比普通頁更大的內存塊，常見的有2MB和1GB。大頁一般用在使用大量內存的進程上，如：Oracle等

2、linux進程如何使用內存

虛擬內存空間分佈

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一、只讀段：包括代碼和常量

二、數據段：包括全局變量

三、堆：包括動態分配內存，從低地址開始向上增加

四、文件映射段：包括動態庫、共享內存等，從高地址開始向下增加

五、棧：包括局部變量和函數調用的上下文等。棧的大小都是固定的，通常都是8MB。

內存分配和回收

​ malloc（）是C標準庫提供的內存分配函數，對應到系統調用上，有兩種實現方式：brk（）和mmap()。

​ brk()：小塊內存（小於128k），C標準庫使用brk()來分配，也就是經過移動堆頂的位置來分配內存。這些內存釋放後並不會當即歸還系統，而是被緩存起來，這樣就能夠重複使用。

​ MMap()：大塊內存（大於128k），則直接使用內存映射mmap()來分配，也就是在文件映射段找一塊空閒內存分配出去，釋放後直接歸還系統。

​ 可是，這兩種分配都有優缺點，brk能夠減小缺頁異常的發生，提升內存訪問效率。這些內存沒有歸還系統，在內存工做繁忙時，在內存工做繁忙時，頻繁的內存分配和釋放會形成內存碎片。mmap會直接歸還系統，因此每次mmap都會發生缺頁異常。在內存工做繁忙時，頻繁的內存分配會致使大量的缺頁異常，使內核的管理負擔增大。

​ linux經過三種方式回收內存：

回收緩存：使用LRU算法，回收最近使用最少的內存頁面；

回收不常訪問的內存：把不經常使用的內存經過交換分區直接寫在磁盤中；

殺死進程：內存緊張時系統會經過oom，直接殺死佔用大量內存的進程

其中，第二種方式回收不常訪問的內存時，會用到交換分區swap。swap其實就是把一塊磁盤空間看成內存使用。它能夠把進程暫時不用的數據存儲到磁盤中（這個過程就是換出）。當進程訪問這些內存時，再從磁盤讀取這些數據到內存中（這個過程稱換入）。一般在內存不足時，纔會使用swap。

第三種方式oom，實際上是內核的一種保護機制。它監控進程的內存使用狀況，而且使用oom_score爲每個進程的內存使用狀況進行評分：

一個進程消耗的內存越大，oom_score就越大；

一個進程運行佔用用的cpu越多，oom_score就越小。

​ 能夠經過手動設置進程的oom_adj，從而調整進程的oom_score。oom_adj的範圍【-17,15】，數值越大，表示進程越容易被oom殺死；數值越小，表示進程越不容易被oom殺死，其中-17表示禁止oom。

[root@test proc]# lsof -i:22
COMMAND  PID USER   FD   TYPE DEVICE SIZE/OFF NODE NAME
sshd    3043 root    3u  IPv4  21799      0t0  TCP *:ssh (LISTEN)
sshd    3499 root    3u  IPv4  23448      0t0  TCP test:ssh->123.139.156.118:53251 (ESTABLISHED)
sshd    3552 root    3u  IPv4  23652      0t0  TCP test:ssh->123.139.156.118:53254 (ESTABLISHED)
[root@test proc]# cat /proc/3043/oom_adj 
-17
#此時ssh進程的oom_adj爲-17，ssh就不容易被殺死

查看內存總體狀況

free

[root@test ~]# free -hm
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:           991M         93M        399M        484K        498M        737M
Swap:            0B          0B          0B
[root@test ~]# grep Cached /proc/meminfo 
Cached:           408672 kB
SwapCached:            0 kB
[root@test ~]# grep Buffer /proc/meminfo 
Buffers:           41252 kB

total：總內存大小；

used：已經使用的內存大小，包含了共享內存；

free：未使用內存大小；

shared：共享內存大小；

buff/cache：緩存和緩衝區的大小；

available：新進程可用內存的大。

注意：available包含了可回收的緩存，因此大於free未使用的內存。並非全部緩存均可以回收。

top

[root@test proc]# top
top - 11:42:36 up  2:10,  2 users,  load average: 0.00, 0.01, 0.05
Tasks:  77 total,   1 running,  76 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
%Cpu(s):  0.3 us,  0.3 sy,  0.0 ni, 98.0 id,  1.3 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
KiB Mem :  1015024 total,   352724 free,    94188 used,   568112 buff/cache
KiB Swap:        0 total,        0 free,        0 used.   747996 avail Mem 

  PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S %CPU %MEM     TIME+ COMMAND                                            
 3476 root      20   0  611432  13556   2364 S  0.3  1.3   0:23.47 barad_agent                                        
 3775 root      20   0  571352   7168   2528 S  0.3  0.7   0:10.34 YDService                                          
    1 root      20   0  125476   3916   2592 S  0.0  0.4   0:01.45 systemd                                            
    2 root      20   0       0      0      0 S  0.0  0.0   0:00.00 kthreadd                                           
    3 root      20   0       0      0      0 S  0.0  0.0   0:00.10 ksoftirqd/0                                        
    5 root       0 -20       0      0      0 S  0.0  0.0   0:00.00 kworker/0:0H                                       
    7 root      rt   0       0      0      0 S  0.0  0.0   0:00.00 migration/0                                        
    8 root      20   0       0      0      0 S  0.0  0.0   0:00.00 rcu_bh                                             
    9 root      20   0       0      0      0 S  0.0  0.0   0:00.61 rcu_sched

VIRT：進程虛擬內存的大小，只要申請過的內存，即使尚未真正分配物理內存，也會計算在內。

RES：常駐內存大小，也就是進程實際使用的物理內存大小，但不包括swap和共享內存

SHR：共享內存大小，如與其餘進程共同使用的共享內存、加載的動態連接庫以及程序的代碼段等。

%MEM：進程使用物理內存佔系統內存的百分比。

Buffers and Cached

Buffers是對原始磁盤塊的臨時存儲，也就是用來緩存磁盤的數據，經過不會特別大（幾十MB）。這樣內核就能夠把分散的寫集中起來，統一優化磁盤寫入，屢次小的寫合併成單次大的寫。

Cached是從磁盤讀取文件的頁緩存，也就是用來緩存從文件讀取的數據。這樣下次訪問的時候直接從內存讀取。

SReclaimable是Slab的一部分。Slab包括兩部分，可回收用：SReclaimable。不可回收：SUnreclaim。

注意：buffers和cache既有讀又有寫。不是單一的讀或者寫

進程緩存命中率

查看緩存命中率須要安裝bcc軟件包

centos7系統安裝

[root@centos ~]# yum update
[root@centos ~]# rpm --import
https://www.elrepo.org/RPM-GPG-KEY-elrepo.org && rpm -Uvh
http://www.elrepo.org/elrepo-release-7.0-2.el7.elrepo.noarch.rpm
[root@centos ~]# uname -r ##
3.10.0-862.el7.x86_64
[root@centos ~]# yum remove kernel-headers kernel-tools kernel-tools-libs
[root@centos ~]# yum --disablerepo="" --enablerepo="elrepo-kernel" install
kernel-ml kernel-ml-devel kernel-ml-headers kernel-ml-tools
kernel-ml-tools-libs kernel-ml-tools-libs-devel
[root@centos ~]# sed -i '/GRUB_DEFAULT/s/=./=0/' /etc/default/grub
[root@centos ~]# grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg
[root@centos ~]# reboot
[root@centos ~]# uname -r ## 升級成功
4.20.0-1.el7.elrepo.x86_64
[root@centos ~]# yum install -y bcc-tools
[root@centos ~]# echo 'export PATH=$PATH:/usr/share/bcc/tools' > /etc/profile.d/bcc-tools.sh
[root@centos ~]# . /etc/profile.d/bcc-tools.sh
[root@centos ~]# cachestat 1 1 ## 測試安裝是否成功

Ubuntu系統安裝步驟

sudo apt-key adv --keyserver keyserver.ubuntu.com --recv-keys 4052245BD4284CDD
echo "deb https://repo.iovisor.org/apt/xenial xenial main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/iovisor.list
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y bcc-tools libbcc-examples linux-headers-$(uname -r)
#bcc安裝到/usr/share/bcc/tools這個目錄中。須要配置系統的path路徑
export PATH=$PATH:/usr/share/bcc/tools

注意：bcc軟件包，必須是內核4.1以上。

cachestat/cachetop進程的緩存命中

root@VM-16-7-ubuntu:~# cachestat 1 3
    HITS   MISSES  DIRTIES HITRATIO   BUFFERS_MB  CACHED_MB
    3414        0        5  100.00%           32        563
      59        0        4  100.00%           32        563
      62        0        4  100.00%           32        563
root@VM-16-7-ubuntu:~# cachetop 
12:50:16 Buffers MB: 80 / Cached MB: 572 / Sort: HITS / Order: ascending
PID      UID      CMD HITS     MISSES   DIRTIES  READ_HIT%  WRITE_HIT%
    3267 root     YDService               2        0        0     100.0%       0.0%
    1843 root     barad_agent             3        0        1      66.7%       0.0%
   20042 root     barad_agent             8        0        3      62.5%       0.0%
     323 root     jbd2/vda1-8             8        8        6      12.5%      12.5%
   20041 root     barad_agent             9        2        4      45.5%       9.1%
   20034 root     cachetop               30        0        0     100.0%       0.0%
   20044 root     sh                    158        0        0     100.0%       0.0%
   20045 root     sh                    158        0        0     100.0%       0.0%
   20046 root     sh                    158        0        0     100.0%       0.0%
   20043 root     sh                    392        0        0     100.0%       0.0%
   20044 root     cat                   491        0        0     100.0%       0.0%
   20043 root     barad_agent           496        0        0     100.0%       0.0%
   20045 root     grep                  638        0        0     100.0%       0.0%
   20046 root     awk                   915        0        0     100.0%       0.0%
#指標
TOTAL:總的IO次數；
MISSES：緩存未命中的次數；
HITS：緩存命中次數；
DIRTIES：新增到緩存中的髒頁數；
CACHED_MB：buffer的大小，MB爲單位；
BUFFERS_MB:cache的大小，MB爲單位；

pcstat文件緩存查看

#pcstat 安裝：
if [ $(uname -m) == "x86_64" ] ; then
    curl -L -o pcstat https://github.com/tobert/pcstat/raw/2014-05-02-01/pcstat.x86_64
else
    curl -L -o pcstat https://github.com/tobert/pcstat/raw/2014-05-02-01/pcstat.x86_32
fi
chmod 755 pcstat
./pcstat #便可使用

####
root@VM-16-7-ubuntu:~# ls
pcstat
root@VM-16-7-ubuntu:~# ./pcstat pcstat 
|----------+----------------+------------+-----------+---------|
| Name     | Size           | Pages      | Cached    | Percent |
|----------+----------------+------------+-----------+---------|
| pcstat   | 3049296        | 745        | 745       | 100.000 |
|----------+----------------+------------+-----------+---------|
##指標

3、內存泄漏

​ 當進程經過malloc()申請虛擬內存後，系統並不會當即爲其分配物理內存，而是在首次訪問時，才經過缺頁異常陷入內核中分配內存。爲了協調快速cpu和慢速磁盤的性能差別，linux還會使用cache和buffer，分別把文件和磁盤讀寫的數據緩存到內存中。因此，對於程序來講，動態分配內存和回收，就是事故的地點。

沒有正確回收分配後的內存，致使了泄漏。

訪問的是已分配內存邊界外的地址，致使程序異常退出等等

內存的分配和回收

進程的內存空間

一、只讀段：包括代碼和常量。不會再去分配新的內存，因此不會產生內存泄漏

二、數據段：包括全局變量。變量在定義的時候就肯定了大小，因此不會產生內存泄漏

三、堆：包括動態分配內存，從低地址開始向上增加。應用程分配管理，沒有正確釋放堆內存，內存泄漏

四、文件映射段：包括動態庫、共享內存等，從高地址開始向下增加。共享內存也是程序管理，內存泄漏

五、棧：包括局部變量和函數調用的上下文等。棧的大小都是固定的，通常都是8MB。系統管理，不會泄漏

4、內存泄漏案例

環境

2cpu 8GB內存

預先安裝sysstat docker bcc

#安裝docker、sysstat
sudo apt-get install -y sysstat docker.io

#安裝bcc
sudo apt-key adv --keyserver keyserver.ubuntu.com --recv-keys 4052245BD4284CDD
echo "deb https://repo.iovisor.org/apt/bionic bionic main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/iovisor.list
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y bcc-tools libbcc-examples linux-headers-$(uname -r)
#拉取鏡像
docker run --name=app -itd feisk /app:mem-leak    #k後面加y
#檢查
root@test:~# docker logs app
2th => 1
3th => 2
4th => 3
5th => 5
6th => 8
7th => 13
8th => 21
9th => 34
10th => 55

排查

vmstat

root@test:~# vmstat 3
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 0  0      0 143036 108584 558084    0    0    20    63  146  313  1  0 99  0  0
 0  0      0 142904 108584 558068    0    0     0     0  173  400  0  0 100  0  0
 0  0      0 142440 108588 558072    0    0     0   271  159  333  1  1 96  2  0
 0  0      0 142472 108588 558072    0    0     0    17  128  313  1  0 99  0  0
 1  0      0 142472 108588 558072    0    0     0     5  115  283  0  0 100  0  0
 ....
 ....
 0  0      0 142412 108596 558076    0    0     0    29  297  708  1  1 98  0  0
 0  0      0 141480 108628 558152    0    0     0    12  170  404  0  0 99  0  0
 0  0      0 141512 108628 558152    0    0     0     4  172  390  0  0 100  0  0
 0  0      0 141512 108628 558152    0    0     0    16  176  399  1  1 98  0  0
 #觀察一段時間，發現free不斷減小，buffer和cache基本不變。說明系統內存一直在使用，可是，沒法說明內存泄漏

memleak

bcc軟件包中的

root@test:~# /usr/share/bcc/tools/memleak -a -p 17050
Attaching to pid 17050, Ctrl+C to quit.
cannot attach uprobe, Device or resource busy
[19:26:43] Top 10 stacks with outstanding allocations:
    addr = 7f389c2fc700 size = 8192
    addr = 7f389c2f86e0 size = 8192
    addr = 7f389c300720 size = 8192
    addr = 7f389c2fa6f0 size = 8192
    addr = 7f389c2fe710 size = 8192
        40960 bytes in 5 allocations from stack
        fibonacci+0x1f [app]
        child+0x4f [app]
        start_thread+0xdb [libpthread-2.27.so]
[19:26:48] Top 10 stacks with outstanding allocations:
# -a 表示顯示每一個內存分配請求的大小以及地址
# -p 指定案例應用的 PID 號
# /usr/share/bcc/tools/
# -a 表示顯示每一個內存分配請求的大小以及地址
# -p 指定案例應用的 PID 號
#app進程一直在分配內存，而且fibonacci()函數分配的內存沒有釋放。
=====
#檢查代碼
root@test:~# docker exec app cat /app.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

long long *fibonacci(long long *n0, long long *n1)
{
    long long *v = (long long *) calloc(1024, sizeof(long long));
    *v = *n0 + *n1;
    return v;
}

void *child(void *arg)
{
    long long n0 = 0;
    long long n1 = 1;
    long long *v = NULL;
    for (int n = 2; n > 0; n++) {
        v = fibonacci(&n0, &n1);
        n0 = n1;
        n1 = *v;
        printf("%dth => %lld\n", n, *v);
        sleep(1);
    }
}

int main(void)
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, child, NULL);
    pthread_join(tid, NULL);
    printf("main thread exit\n");
    return 0;
}root@test:~# 
#發現child（）調用了fibonacci函數，可是並無釋放fibonacci返回的內存。在child函數加free(v);釋放內存
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