linux内存管理-虚拟内存总结

Posted 2020-06-29

面试被问到虚拟内存，回答的感觉不够。于是重新总结一下。

程序猿对内存的要求都是：私有的、速度快、容量无限大。

对应现在的现况：使用一块物理内存、容量有限、并且速度有限，需要cpu多级缓存。

物理内存暴露给进程存在问题：1.如果可以寻址内存的每个字节，容易破坏操作系统以及其他进程

解决方法1

通过基址寄存器与界限寄存器

前置保存起始物理地址，后者保存地址长度；解决了地址私有化的问题。

交换技术  仍然使用两个寄存器，会产生内存空洞；就算使用内存紧缩技术（移动进程空间），也会大量占用cpu时间；

虚拟内存：

核心思想：每个进程拥有拥有独立的虚拟地址空间，被分割成多个页块，被映射到物理内存，但并不是所有页都在内存中才能够运行程序；如果程序引用到了一段内存地址空间时，如堆内存中的一个变量，虚拟地址不是直接送到地址总线上，而是送到mmu，由硬件执行必要的映射，将变换后将变换的地址送到总线上；如果mmu判断请求的数据不再ram中，则产生缺页中断，使cpu陷入内核，将缺失的页面装入物理内存，修改mmu映射关系并重新执行失败的指令。

如果mmu没有启动，cpu发出的内存地址将直接传到总线上，被物理内存芯片接受。

所以说mmu对于程序来说是透明的  也不需要陷入内核态才能工作，由硬件直接完成。

所以说虚拟内存的本质就是创造一个新的抽象概念-地址空间，对物理内存进行抽象；类似于进程是对cpu的抽象；实现就是将虚拟地址空间分解成页。并将每一页映射到物理内存的页框中或者暂时接触映射。

以下图片可以说明：

 

所以说，对于linux而言，这些交换出去的页面就会在磁盘上，而对于linux，用户交换的磁盘空间必须是一个独立的分区，这个分区就是swap分区，swap分区也是文件系统，需要用fdisk调整分区类型为82，mkswap命令创建交换分区才能使用，一般是打开的文件可以交换出去，而代码段以及变量是不能交换出去的，这个交换的过程叫做pageout、pagein  对应swap而言，就叫做swap in  swap out。linux以交换分析的形式允许内存的过载使用。因为磁盘的IO性能和内存不在一个数量级上，使用磁盘作为swap分区必然会导致系统性能的降低，然而，不允许过载使用的话对于linux是非常危险的，一旦内存满了之后，对于操作系统而言也无法用空闲的内存页面完成必须的工作，就会杀死一些进程导致服务的不可用。

 

使用free命令

中还有两个重要的参数：buffers，以及cached

缓存（cached）是把读取过的数据保存起来，重新读取时若命中（找到需要的数据）就不

要去读硬盘了，若没有命中就读硬盘。其中的数据会根据读取频率进行组织，把最频繁读

取的内容放在最容易找到的位置，把不再读的内容不断往后排，直至从中删除。

缓冲（buffers）是根据磁盘的读写设计的，把分散的写操作集中进行，减少磁盘碎片和硬盘的反复寻道，从而提高系统性能。linux有一个守护进程定期清空缓冲内容（即写如磁盘），也可以通过sync命令手动清空缓冲。举个例子吧：我这里有一个ext2的U盘，我往里面cp一个3M的MP3，但U盘的灯没有跳动，过了一会儿（或者手动输入sync）U盘的灯就跳动起来了。卸载设备时会清空缓冲，所以有些时候卸载一个设备时要等上几秒钟。所以说将buffer和cached加上之后，free就增多了，如

 

所以说呢，缓存 cache是匹配生产者比消费者慢的情况儿缓冲buffer是匹配生产者比消费者快的情况。

同时，虚拟内存也会涉及到另一个概念，使用top命令

Virt和res就对应到上面所讲的虚拟内存了。

VIRT：virtual memory usage 

进程“需要的”虚拟内存大小，包括进程使用的库、代码、数据等

假如进程申请100m的内存，但实际只使用了10m，那么它会增长100m，而不是实际的使用量。

RES：resident memory usage 常驻内存值得就是实际占用的物理页面了。 

当时这里有个问题，按理来说，virt=res+swap，可是这里明显不是virt有4个g，而swap为0，res为400m，显然不对，这个问题还需要进一步研究。