Linux进程内存如何管理？

Posted 2023-04-16

Linux系统提供了复杂的存储管理系统，使得进程所能访问的内存达到4GB。在Linux系统中，进程的4GB内存空间被分为两个部分——用户空间与内核空间。用户空间的地址一般分布为0~3GB(即PAGE_OFFSET，在Ox86中它等于OxC0000000），这样，剩下的3~4GB为内核空间，用户进程通常只能访问用户空间的虚拟地址，不能访问内核空间的虚拟地址。用户进程只有通过系统调用（代表用户进程在内核态执行）等方式才可以访问到内核空间。每个进程的用户空间都是完全独立、互不相干的，用户进程各自有不同的页表。而内核空间是由内核负责映射，它并不会跟着进程改变，是固定的。内核空间的虚拟地址到物理地址映射是被所有进程共享的，内核的虚拟空间独立于其他程序。Linux中1GB的内核地址空间又被划分为物理内存映射区、虚拟内存分配区、高端页面映射区、专用页面映射区和系统保留映射区这几个区域。对于x86系统而言，一般情况下，物理内存映射区最大长度为896MB，系统的物理内存被顺序映射在内核空间的这个区域中。当系统物理内存大于896MB时，超过物理内存映射区的那部分内存称为高端内存（而未超过物理内存映射区的内存通常被称为常规内存），内核在存取高端内存时必须将它们映射到高端页面映射区。Linux保留内核空间最顶部FIXADDR_TOP~4GB的区域作为保留区。当系统物理内存超过4GB时，必须使用CPU的扩展分页(PAE）模式所提供的64位页目录项才能存取到4GB以上的物理内存，这需要CPU的支持。加入了PAE功能的Intel Pentium Pro及以后的CPU允许内存最大可配置到64GB，它们具备36位物理地址空间寻址能力。由此可见，对于32位的x86而言，在3~4GB之间的内核空间中，从低地址到高地址依次为:物理内存映射区隔离带vmalloc虚拟内存分配器区隔离带高端内存映射区专用页面映射区保留区。 参考技术A Linux内存管理
摘要：本章首先以应用程序开发者的角度审视Linux的进程内存管理，在此基础上逐步深入到内核中讨论系统物理内存管理和内核内存的使用方法。力求从外到内、水到渠成地引导网友分析Linux的内存管理与使用。在本章最后，我们给出一个内存映射的实例，帮助网友们理解内核内存管理与用户内存管理之间的关系，希望大家最终能驾驭Linux内存管理。
前言
内存管理一向是所有操作系统书籍不惜笔墨重点讨论的内容，无论市面上或是网上都充斥着大量涉及内存管理的教材和资料。因此，我们这里所要写的Linux内存管理采取避重就轻的策略，从理论层面就不去班门弄斧，贻笑大方了。我们最想做的和可能做到的是从开发者的角度谈谈对内存管理的理解，最终目的是把我们在内核开发中使用内存的经验和对Linux内存管理的认识与大家共享。
当然，这其中我们也会涉及到一些诸如段页等内存管理的基本理论，但我们的目的不是为了强调理论，而是为了指导理解开发中的实践，所以仅仅点到为止，不做深究。
遵循“理论来源于实践”的“教条”，我们先不必一下子就钻入内核里去看系统内存到底是如何管理，那样往往会让你陷入似懂非懂的窘境（我当年就犯了这个错误！）。所以最好的方式是先从外部（用户编程范畴）来观察进程如何使用内存，等到大家对内存的使用有了较直观的认识后，再深入到内核中去学习内存如何被管理等理论知识。最后再通过一个实例编程将所讲内容融会贯通。
进程与内存
进程如何使用内存？
毫无疑问，所有进程（执行的程序）都必须占用一定数量的内存，它或是用来存放从磁盘载入的程序代码，或是存放取自用户输入的数据等等。不过进程对这些内存的管理方式因内存用途不一而不尽相同，有些内存是事先静态分配和统一回收的，而有些却是按需要动态分配和回收的。
对任何一个普通进程来讲，它都会涉及到5种不同的数据段。稍有编程知识的朋友都能想到这几个数据段中包含有“程序代码段”、“程序数据段”、“程序堆栈段”等。不错，这几种数据段都在其中，但除了以上几种数据段之外，进程还另外包含两种数据段。下面我们来简单归纳一下进程对应的内存空间中所包含的5种不同的数据区。
*代码段*：代码段是用来存放可执行文件的操作指令，也就是说是它是可执行程序在内存中的镜像。代码段需要防止在运行时被非法修改，所以只准许读取操作，而不允许写入（修改）操作——它是不可写的。
*数据段*：数据段用来存放可执行文件中已初始化全局变量，换句话说就是存放程序静态分配[1]的变量和全局变量。
BSS*段<a href="https://link.segmentfault.com/?enc=DcwhqnvkYMxrvWKNSDlpjw%3D%3D.qLNlChGMSGuG7hOrN6bEdljOToGybVxglBpnnuraScc%2BTVdR37FrzpDlx30Od%2F227j%2FFcDXfhqFymFBWKvF4UA%3D%3D">*[2]**：BSS段包含了程序中未初始化的全局变量，在内存中 bss段全部置零。
堆（heap*）*：堆是用于存放进程运行中被动态分配的内存段，它的大小并不固定，可动态扩张或缩减。当进程调用malloc等函数分配内存时，新分配的内存就被动态添加到堆上（堆被扩张）；当利用free等函数释放内存时，被释放的内存从堆中被剔除（堆被缩减）
*栈*：栈是用户存放程序临时创建的局部变量，也就是说我们函数括弧“”中定义的变量（但不包括static声明的变量，static意味着在数据段中存放变量）。除此以外，在函数被调用时，其参数也会被压入发起调用的进程栈中，并且待到调用结束后，函数的返回值也会被存放回栈中。由于栈的先进先出特点，所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。从这个意义上讲，我们可以把堆栈看成一个寄存、交换临时数据的内存区。
进程如何组织这些区域？
上述几种内存区域中数据段、BSS和堆通常是被连续存储的——内存位置上是连续的，而代码段和栈往往会被独立存放。有趣的是，堆和栈两个区域关系很“暧昧”，他们一个向下“长”（i386体系结构中栈向下、堆向上），一个向上“长”，相对而生。但你不必担心他们会碰头，因为他们之间间隔很大（到底大到多少，你可以从下面的例子程序计算一下），绝少有机会能碰到一起。 参考技术B

这个不是1-2句话就表达明白的。可以看下我写的相关书籍。

第9章 Linux进程管理命令 / 298
9.1ps：查看进程 / 298
9.2pstree：显示进程状态树 / 305
9.3pgrep：查找匹配条件的进程 / 306
9.4kill：终止进程 / 307
9.5killall：通过进程名终止进程 / 310
9.6pkill：通过进程名终止进程 / 311
9.7top：实时显示系统中各个进程的资源占用状况 / 313
9.8nice：调整程序运行时的优先级 / 320
9.9renice：调整运行中的进程的优先级 / 323
9.10nohup：用户退出系统进程继续工作 / 324
9.11strace：跟踪进程的系统调用 / 325
9.12ltrace：跟踪进程调用库函数 / 332
9.13runlevel：输出当前运行级别 / 334
9.14init：初始化Linux进程 / 335
9.15service：管理系统服务 / 335

Linux 进程管理

进程管理

一.基础知识

　　1.内存空间分为：线性空间和物理空间
　　线性空间：内存被划分成页框，固定的存储空间
　　　　　　虚拟内存 指令、数据、堆区、栈区
　　　　　　常驻内存 系统的指定和数据

　　2.进程上下文切换：进程的切换，保存将要退出的进程的现场，装载下一个要运行的进程
　　进程的属性：
　　　　进程号
　　　　内存空间
　　　　启动用户
　　　　父进程
　　　　占用CPU时间
     3.因为有了线程，一个进程才能工作于多个CPU，并发执行

     4. 进程状态
　　　　运行状态
            Uninterrutible sleep 不可中断睡眠：需要I/O资源的中断，
            interrutible sleep 可中断睡眠：不是因为I/O产生的中断

　　　　僵尸进程：进程结束了，占据的内存空间不释放

     5.进程是有父子关系的
　　　　所有进程都是init的子进程

     6.进程有优先级的0-139 数字越小优先级越高
　　　　　　　　0-99：内核调整的
　　　　　　　　100-139：用户可控制的

　 　进程的查找时间大O标准
　　　　　　　　　　O(1)
　　　　　　　　　　O(n)
　　　　　　　　　　O(logn)
　　　　　　　　　　O(n^2)
　　　　　　　　　　O(2^x)
　　优先级高的进程
　　　　　　1).获得更多CPU运行时间
　　　　　　2)更优先获得运行的机会　　nice 值：优雅的友好的　　-20--19：nice值越小，优先级越高

　　100-139:对应的进程优先级号
　　默认进程的nice的值为0
　　普通用户只能调大自己的进程的nice
　　管理员可以随意调节

   7.PID:进程号
　　　　/proc 下的每一个数字目录对应一个进程，内核映射的文件，伪文件系统
　　　　init的进程号永远为1

二.进程命令
　　1.ps process state
          
BSD风格:

　　a:显示所有跟终端有关的进程
　　u:显示用户的启动
　　x:显示所有跟终端无关的进程
　　　　进程的分类：
　　　　　　跟终端相关的进程
　　　　　　跟终端无关的进程
　　　　进程状态：
　　　　　　D:不可中断的睡眠
　　　　　　R:运行或就绪
　　　　　　S:可中断的睡眠
　　　　　　T：停止
　　　　　　Z:僵死

　　　　　　<:高优先级进程
　　　　　　N:低优先级进程
　　　　　　+：前台进程组的进程
　　　　　　l:多线程进程
　　　　　　s:会话进程首进程
　　　　VSZ:虚拟内存集
　　　　RSS:常驻内存集

　　COMMAND [] 标识内核进程

sys风格的
　　ps -ef
　　ps -eF
　　ps -elF

ps -o pid,comm,ni 只显示前台进程
ps -axo pid,comm,ni 显示所有进程
2.pstree 显示进程树

3.pgrep 以grep查看进程，只显示进程号
  pgrep -u root

4.pidof 查看指定进程的pid
pidof init

5.top：监控每个进程，每隔5秒钟刷新一次

 

01:06:48	当前时间
up 1:22	系统运行时间，格式为时:分
1 user	当前登录用户数
load average: 0.06, 0.60, 0.48	系统负载，即任务队列的平均长度。 三个数值分别为 1分钟、5分钟、15分钟前到现在的平均值。

第二、三行为进程和CPU的信息。当有多个CPU时，这些内容可能会超过两行。内容如下：

Tasks: 29 total	进程总数
1 running	正在运行的进程数
28 sleeping	睡眠的进程数
0 stopped	停止的进程数
0 zombie	僵尸进程数
Cpu(s): 0.3% us	用户空间占用CPU百分比
1.0% sy	内核空间占用CPU百分比
0.0% ni	用户进程空间内改变过优先级的进程占用CPU百分比
98.7% id	空闲CPU百分比
0.0% wa	等待输入输出的CPU时间百分比
0.0% hi
0.0% si

最后两行为内存信息。内容如下：

Mem: 191272k total	物理内存总量
173656k used	使用的物理内存总量
17616k free	空闲内存总量
22052k buffers	用作内核缓存的内存量
Swap: 192772k total	交换区总量
0k used	使用的交换区总量
192772k free	空闲交换区总量
123988k cached	缓冲的交换区总量。 内存中的内容被换出到交换区，而后又被换入到内存，但使用过的交换区尚未被覆盖， 该数值即为这些内容已存在于内存中的交换区的大小。 相应的内存再次被换出时可不必再对交换区写入。

选项，可以在显示时交互输入
M: 根据驻留内存大小进行排序
P：根据CPU使用百分比进行排序
T: 根据累计时间进行排序

l: 是否显示平均负载和启动时间
t: 是否显示进程和CPU状态相关信息
m: 是否显示内存相关信息

c: 是否显示完整的命令行信息
q: 退出top
k: 终止某个进程

top
-d: 指定延迟时长，单位是秒
-b: 批模式
-n #：在批模式下，共显示多少批

6.进程间通信（IPC）
　　共享内存
　　信号：signal
　　Semaphore：旗语

　　kill -l 所有可用信号
　　　　重要的信号
　　1）SIGHUP 让一个进程不用重启，就能重读配置文件，并让配置信息生效
　　2)SIGINT 中断一个进程
　　9)SIGKILL 杀死一个进程，强行杀死
　　15)SIGTERM 终止一个进程 kill 的默认信号

　　指定一个信号
　　信号号码：kill -1
　　信号名称：kill -SIGKILL
　　信号名称简写： kill -KILL

　　kill 进程号 杀死进程
　　killall COMMAND

7.调整nice
调整已经启动的nice值
   renice 新的nice PID

在启动时指定nice
nice -n NI COMMAND
nice -n -3 useradd hbase

8.前台作业：占据了命令提示符
　后台作业：启动后，释放命令提示符，后续的操作在后台完成
tar -jcf 文件 文件 & 转到后台运行

前台送往后台：ctrl+Z 正在前台的作业送往后台
                     或者command +&
bg：让后台的停止的就业运行
bg [[%]作业号]
jobs：查看后台的所有作业
作业号不同于进程号
+：命令将默认认操作的作业
-：命令将第二个执行的作业

fg：将后台作业调回前台
fg [[%]作业号]
kill %作业号 终止作业

10.vmstat：系统状态查看命令
　　1 　　　每隔1秒钟刷新一次
　　1 5　　 每隔1秒显示一次但是只显示5次
11.uptime
　　/proc/memifo 内存信息
　　cd /proc/1 cat maps 查看进程文件占用的内存