Linux操作系統的內存使用機制研究

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　　linux的產生與發展，更多的應用與服務器，那麼對於linux的各個管理機制要非常清楚，一個完整的linux系統主要有存儲管理，內存管理，文件系統和進程管理等幾方面組成，貼出一些以前學習過的一個很好的文章。與大家共享!

　　以下主要說明swap和buffer cache機制

　　Linux支持虛擬內存(virtual memory)，虛擬內存是指使用磁盤當作RAM的擴展，這樣可用的內存的大小就相應地增大了。內核會將暫時不用的內存塊的內容寫到硬盤上，這樣一來，這塊內存就可用於其它目的。當需要用到原始的內容時，它們被重新讀入內存。這些操作對用戶來說是完全透明的;Linux下運行的程序只是看到有大量的內存可供使用而並沒有注意到時不時它們的一部分是駐留在硬盤上的。當然，讀寫硬盤要比直接使用真實內存慢得多(要慢數千倍)，所以程序就不會象一直在內存中運行的那樣快。用作虛擬內存的硬盤部分被稱為交換空間(swap space)。

　　一般，在交換空間中的頁面首先被換入內存;如果此時沒有足夠的物理內存來容納它們又將被交換出來(到其他的交換空間中)。如果沒有足夠的虛擬內存來容納所有這些頁面，Linux就會波動而不正常;但經過一段較長的時間Linux會恢復，但此時系統已不可用了。

　　有時，盡管有許多的空閒內存，仍然會有許多的交換空間正被使用。這種情況是有可能發生的，例如如果在某一時刻有進行交換的必要，但後來一個占用很多物理內存的大進程結束並釋放內存時。被交換出的數據並不會自動地交換進內存，除非有這個需要時。此時物理內存會在一段時間內保持空閒狀態。對此並沒有什麼可擔心的，但是知道了是怎麼一回事，也就無所謂了。

　　許多操作系統使用了虛擬內存的方法。因為它們僅在運行時才需要交換空間，以解決不會在同一時間使用交換空間，因此，除了當前正在運行的操作系統的交換空間，其它的就是一種浪費。所以讓它們共享一個交換空間將會更有效率。

　　注意，如果會有幾個人同時使用這個系統，他們都將消耗內存。然而，如果兩個人同時運行一個程序，內存消耗的總量並不是翻倍，因為代碼頁以及共享的庫只存在一份。

　　Linux系統常常動不動就使用交換空間，以保持盡可能多的空閒物理內存。即使並沒有什麼事情需要內存，Linux也會交換出暫時不用的內存頁面。這可以避免等待交換所需的時間：當磁盤閒著，就可以提前做好交換。

　　可以將交換空間分散在幾個硬盤之上。針對相關磁盤的速度以及對磁盤的訪問模式，這樣做可以提高性能。

　　高速緩沖

　　與訪問(真正的)的內存相比，磁盤的讀寫是很慢的。另外，在相應較短的時間內多次讀磁盤同樣的部分也是常有的事。例如，某人也許首先閱讀了一段e-mail消息，然後為了答復又將這段消息讀入編輯器中，然後又在將這個消息拷貝到文件夾中時，使得郵件程序又一次讀入它。或者考慮一下在一個有著許多用戶的系統中 ls命令會被使用多少次。通過將信息從磁盤上僅讀入一次並將其存於內存中，除了第一次讀以外，可以加快所有其它讀的速度。這叫作磁盤緩沖(disk buffering)，被用作此目的的內存稱為高速緩沖(buffer cache)。

　　但是，由於內存是一種有限而又不充足的資源，高速緩沖不可能做的很大(它不可能包容要用到的所有數據)。當緩沖充滿了數據時，其中最長時間不用的數據將被捨棄以騰出內存空間用於新的數據。

　　對寫磁盤操作來說磁盤緩沖技術同樣有效。一方面，被寫入磁盤的數據常常會很快地又被讀出(例如，原代碼文件被保存到一個文件中，又被編譯器讀入)，所以將要被寫的數據放入緩沖中是個好主意。另一方面，通過將數據放入緩沖中，而不是將其立刻寫入磁盤，程序可以加快運行的速度。以後，寫的操作可以在後台完成，而不會拖延程序的執行。

　　大多數操作系統都有高速緩沖(盡管可能稱呼不同)，但是並不是都遵守上面的原理。有些是直接寫(write-through)：數據將被立刻寫入磁盤(當然，數據也被放入緩存中)。如果寫操作是在以後做的，那麼該緩存被稱為後台寫(write-back)。後台寫比直接寫更有效，但也容易出錯：如果機器崩潰，或者突然掉電，緩沖中改變過的數據就被丟失了。如果仍未被寫入的數據含有重要的薄記信息，這甚至可能意味著文件系統(如果有的話)已不完整。

　　針對以上的原因，出現了很多的日志文件系統，數據在緩沖區修改後，同時會被文件系統記錄修改信息，這樣即使此時系統掉電，系統重啟後會首先從日志記錄中恢復數據，保證數據不丟失。當然這些問題不再本文的敘述范圍。

　　由於上述原因，在使用適當的關閉過程之前，絕對不要關掉電源，sync命令傾空(flushes)緩沖，也即，強迫所有未被寫的數據寫入磁盤，可用以確定所有的寫操作都已完成。在傳統的UNIX系統中，有一個叫做update的程序運行於後台，每隔30秒做一次sync操作，因此通常無需手工使用sync命令了。Linux另外有一個後台程序，bdflush，這個程序執行更頻繁的但不是全面的同步操作，以避免有時sync的大量磁盤I/O操作所帶來的磁盤的突然凍結。

　　在Linux中，bdflush是由update啟動的。通常沒有理由來擔心此事，但如果由於某些原因bdflush進程死掉了，內核會對此作出警告，此時你就要手工地啟動它了(/sbin/update)。

　　緩存(cache)實際並不是緩沖文件的，而是緩沖塊的，塊是磁盤I/O操作的最小單元(在Linux中，它們通常是1KB)。這樣，目錄、超級塊、其它文件系統的薄記數據以及非文件系統的磁盤數據都可以被緩沖了。

　　緩沖的效力主要是由它的大小決定的。緩沖太小的話等於沒用：

　　它只能容納一點數據，因此在被重用時，所有緩沖的數據都將被傾空。實際的大小依賴於數據讀寫的頻次、相同數據被訪問的頻率。只有用實驗的方法才能知道。

　　如果緩存有固定的大小，那麼緩存太大了也不好，因為這會使得空閒的內存太小而導致進行交換操作(這同樣是慢的)。為了最有效地使用實際內存，Linux自動地使用所有空閒的內存作為高速緩沖，當程序需要更多的內存時，它也會自動地減小緩沖的大小。

　　這就是一般情況下linux內存的一般機制，當然linux內存的運行機制遠遠比這個復雜，但是只有了解了這個機制，我們管理服務器才能得心應手!