Linux 內(nèi)存管理機(jī)制簡(jiǎn)介

在Linux中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)空閑內(nèi)存很少，似乎所有的內(nèi)存都被系統(tǒng)占用了，表面感覺是內(nèi)存不夠用了，其實(shí)不然。這是Linux內(nèi)存管理的一個(gè)優(yōu)秀特性，在這方面，區(qū)別于 Windows的內(nèi)存管理。主要特點(diǎn)是，無論物理內(nèi)存有多大，Linux 都將其充份利用，將一些程序調(diào)用過的硬盤數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，利用內(nèi)存讀寫的高速特性來提高Linux系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問性能。而Windows 是只在需要內(nèi)存時(shí)，才為應(yīng)用程序分配內(nèi)存，并不能充分利用大容量的內(nèi)存空間。換句話說，每增加一些物理內(nèi)存，Linux 都將能充分利用起來，發(fā)揮了硬件投資帶來的好處，而Windows只將其做為擺設(shè)，即使增加8GB甚至更大。

Linux 的這一特性，主要是利用空閑的物理內(nèi)存，劃分出一部份空間，做為 cache 和 buffers ，以此提高數(shù)據(jù)訪問性能。

1、什么是 cache ?

頁高速緩存(cache)是 Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的一種主要磁盤緩存。它主要用來減少對(duì)磁盤的I/O操作。具體地講，是通過把磁盤中的數(shù)據(jù)緩存到物理內(nèi)存中，把對(duì)磁盤的訪問變?yōu)閷?duì)物理內(nèi)存的訪問。

磁盤高速緩存的價(jià)值在于兩個(gè)方面：第一，訪問磁盤的速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于訪問內(nèi)存的速度，因此，從內(nèi)存訪問數(shù)據(jù)比從磁盤訪問速度更快。第二，數(shù)據(jù)一旦被訪問，就很有可能在短期內(nèi)再次被訪問到。

頁高速緩存是由內(nèi)存中的物理頁組成的，緩存中每一頁都對(duì)應(yīng)著磁盤中的多個(gè)塊。每當(dāng)內(nèi)核開始執(zhí)行一個(gè)頁I/O操作時(shí)(通常是對(duì)普通文件中頁大小的塊進(jìn)行磁盤操作)，首先會(huì)檢查需要的數(shù)據(jù)是否在高速緩存中，如果在，那么內(nèi)核就直接使用高速緩存中的數(shù)據(jù)，從而避免訪問磁盤。

舉個(gè)例子，當(dāng)使用文本編輯器打開一個(gè)源程序文件時(shí)，該文件的數(shù)據(jù)就被調(diào)入內(nèi)存。編輯該文件的過程中，越來越多的數(shù)據(jù)會(huì)相繼被調(diào)入內(nèi)存頁。最后，當(dāng)你編譯它的時(shí)候，內(nèi)核可以直接使用頁高速緩存中的頁，而不需要重新從磁盤讀取該文件了。因?yàn)橛脩敉鶗?huì)反復(fù)讀取或操作同一個(gè)文件，所以頁高速緩存能減少大量的磁盤操作。

2、cache 如何更新?

由于頁高速緩存的緩存作用，寫操作實(shí)際上會(huì)被延遲。當(dāng)頁高速緩存中的數(shù)據(jù)比后臺(tái)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)更新時(shí)，那么該數(shù)據(jù)就被稱做臟數(shù)據(jù)。在內(nèi)存中累積起來的臟頁最終必須被寫回磁盤。在以下兩種情況發(fā)生時(shí)，臟頁被寫回磁盤：

◆當(dāng)空閑內(nèi)存低于一個(gè)特定的閾值時(shí)，內(nèi)核必須將臟頁寫回磁盤，以便釋放內(nèi)存。

◆當(dāng)臟頁在內(nèi)存中駐留時(shí)間超過一個(gè)特定的閾值時(shí)，內(nèi)核必須將超時(shí)的臟頁寫回磁盤，以確保臟頁不會(huì)無限期地駐留在內(nèi)存中。

在2.6內(nèi)核中，由一群內(nèi)核線程—pdflush后臺(tái)回寫例程統(tǒng)一執(zhí)行兩種工作。

首先，pdflush線程在系統(tǒng)中的空閑內(nèi)存低于一個(gè)特定的閾值時(shí)，將臟頁刷新回磁盤。該后臺(tái)回寫例程的目的在于在可用物理內(nèi)存過低時(shí)，釋放臟頁以重新獲得內(nèi)存。特定的內(nèi)存閾值可以通過dirty_background_ratio sysctl系統(tǒng)調(diào)用設(shè)置。當(dāng)空閑內(nèi)存比閾值：dirty_background_ratio還低時(shí)，內(nèi)核便會(huì)調(diào)用函數(shù)wakeup_bdflush()喚醒一個(gè)pdflush線程，隨后pdflush線程進(jìn)一步調(diào)用函數(shù)background_writeout()開始將臟頁寫回磁盤。函數(shù)background_ writeout()需要一個(gè)長(zhǎng)整型參數(shù)，該參數(shù)指定試圖寫回的頁面數(shù)目。函數(shù)background_writeout()會(huì)連續(xù)地寫出數(shù)據(jù)，直到滿足以下兩個(gè)條件：

◆已經(jīng)有指定的最小數(shù)目的頁被寫出到磁盤。

◆空閑內(nèi)存數(shù)已經(jīng)回升，超過了閾值dirty_background_ratio。

上述條件確保了pdflush操作可以減輕系統(tǒng)中內(nèi)存不足的壓力?；貙懖僮鞑粫?huì)在達(dá)到這兩個(gè)條件前停止，除非pdflush寫回了所有的臟頁，沒有剩下的臟頁可再被寫回了。

為了滿足第二個(gè)目標(biāo)，pdflush后臺(tái)例程會(huì)被周期性喚醒(和空閑內(nèi)存是否過低無關(guān))，將那些在內(nèi)存中駐留時(shí)間過長(zhǎng)的臟頁寫出，確保內(nèi)存中不會(huì)有長(zhǎng)期存在的臟頁。如果系統(tǒng)發(fā)生崩潰，由于內(nèi)存處于混亂之中，所以那些在內(nèi)存中還沒來得及寫回磁盤的臟頁就會(huì)丟失，所以周期性同步頁高速緩存和磁盤非常重要。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，內(nèi)核初始化一個(gè)定時(shí)器，讓它周期地喚醒pdflush線程，隨后使其運(yùn)行函數(shù)wb_kupdate()。