Reference：https://time.geekbang.org/column/article/74272
內存
內存主要用來存儲系統和應用程序的指令、數據、緩存等。
內存映射
通常所說的內存容量，比如筆記本電腦的8GB內存，其實指的是物理內存。物理內存也稱為主存，大多數計算機用的主存都是動態隨機訪問內存（DRAM）。只有內核才可以直接訪問物理內存。
Linux 內核給每個進程都提供了一個獨立的虛擬地址空間，並且這個地址空間是連續的。這樣，進程就可以很方便地訪問內存，更確切地說是訪問虛擬內存。
虛擬地址空間的內部又被分為內核空間和用戶空間兩部分，不同字長（也就是單個CPU指令可以處理數據的最大長度）的處理器，地址空間的范圍也不同。比如最常見的 32 位和 64 位系統，它們的虛擬地址空間，如下所示：
通過這里可以看出，32位系統的內核空間占用 1G，位於最高處，剩下的3G是用戶空間。而 64 位系統的內核空間和用戶空間都是 128T，分別占據整個內存空間的最高和最低處，剩下的中間部分是未定義的。
進程在用戶態時，只能訪問用戶空間內存；只有進入內核態后，才可以訪問內核空間內存。雖然每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，進程切換到內核態后，就可以很方便地訪問內核空間內存。
既然每個進程都有一個這么大的地址空間，那么所有進程的虛擬內存加起來，自然要比實際的物理內存大得多。所以，並不是所有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，並且分配后的物理內存，是通過內存映射來管理的。
內存映射，其實就是將虛擬內存地址映射到物理內存地址。為了完成內存映射，內核為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系，如下圖所示：
頁表實際上存儲在 CPU 的內存管理單元 MMU中，這樣，正常情況下，處理器就可以直接通過硬件，找出要訪問的內存。
而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，最后再返回用戶空間，恢復進程的運行。
另外，TLB（Translation Lookaside Buffer，轉譯后備緩沖器）會影響 CPU 的內存訪問性能，TLB 其實就是 MMU 中頁表的高速緩存。由於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，所以，通過減少進程的上下文切換，減少TLB的刷新次數，就可以提高TLB 緩存的使用率，進而提高CPU的內存訪問性能。
不過要注意，MMU 並不以字節為單位來管理內存，而是規定了一個內存映射的最小單位，也就是頁，通常是 4 KB大小。這樣，每一次內存映射，都需要關聯 4 KB 或者 4KB 整數倍的內存空間。
頁的大小只有4 KB ，導致的另一個問題就是，整個頁表會變得非常大。比方說，僅 32 位系統就需要 100 多萬個頁表項（4GB/4KB），才可以實現整個地址空間的映射。為了解決頁表項過多的問題，Linux 提供了兩種機制，也就是多級頁表和大頁（HugePage）。
多級頁表就是把內存分成區塊來管理，將原來的映射關系改成區塊索引和區塊內的偏移。由於虛擬內存空間通常只用了很少一部分，那么，多級頁表就只保存這些使用中的區塊，這樣就可以大大地減少頁表的項數。
Linux用的正是四級頁表來管理內存頁，如下圖所示，虛擬地址被分為5個部分，前4個表項用於選擇頁，而最后一個索引表示頁內偏移。
大頁，就是比普通頁更大的內存塊，常見的大小有 2MB 和 1GB。大頁通常用在使用大量內存的進程上，比如 Oracle、DPDK等。
通過這些機制，在頁表的映射下，進程就可以通過虛擬地址來訪問物理內存了。
虛擬內存空間分布
最上方的內核空間不用多講，下方的用戶空間內存，其實又被分成了多個不同的段。以32 位系統為例，如下圖：
通過這張圖可以看到，用戶空間內存，從低到高分別是五種不同的內存段。
- 只讀段，包括代碼和常量等。
- 數據段，包括全局變量等。
- 堆，包括動態分配的內存，從低地址開始向上增長。
- 文件映射段，包括動態庫、共享內存等，從高地址開始向下增長。
- 棧，包括局部變量和函數調用的上下文等。棧的大小是固定的，一般是 8 MB。
在這五個內存段中，堆和文件映射段的內存是動態分配的。比如說，使用 C 標准庫的 malloc() 或者 mmap() ，就可以分別在堆和文件映射段動態分配內存。
其實64位系統的內存分布也類似，只不過內存空間要大得多。
內存分配與回收
malloc() 是 C 標准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，即 brk() 和 mmap()。
- 對小塊內存（小於128K），C 標准庫使用 brk() 來分配，也就是通過移動堆頂的位置來分配內存。這些內存釋放后並不會立刻歸還系統，而是被緩存起來，這樣就可以重復使用。
- 而大塊內存（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閑內存分配出去。
這兩種方式，自然各有優缺點。
- brk() 方式的緩存，可以減少缺頁異常的發生，提高內存訪問效率。不過，由於這些內存沒有歸還系統，在內存工作繁忙時，頻繁的內存分配和釋放會造成內存碎片。
- mmap() 方式分配的內存，會在釋放時直接歸還系統，所以每次 mmap 都會發生缺頁異常。在內存工作繁忙時，頻繁的內存分配會導致大量的缺頁異常，使內核的管理負擔增大。這也是malloc 只對大塊內存使用 mmap 的原因。
了解這兩種調用方式后，還需要清楚一點，那就是，當這兩種調用發生后，其實並沒有真正分配內存。這些內存，都只在首次訪問時才分配，也就是通過缺頁異常進入內核中，再由內核來分配內存。
整體來說，Linux 使用伙伴系統來管理內存分配。這些內存在MMU中以頁為單位進行管理，伙伴系統也一樣，以頁為單位來管理內存，並且會通過相鄰頁的合並，減少內存碎片化（比如brk方式造成的內存碎片）。
在用戶空間，malloc 通過 brk() 分配的內存，在釋放時並不立即歸還系統，而是緩存起來重復利用。
在內核空間，Linux 則通過 slab 分配器來管理小內存。可以把slab 看成構建在伙伴系統上的一個緩存，主要作用就是分配並釋放內核中的小對象。
對內存來說，如果只分配而不釋放，就會造成內存泄漏，甚至會耗盡系統內存。所以，在應用程序用完內存后，還需要調用 free() 或 unmap()，來釋放這些不用的內存。
當然，系統也不會任由某個進程用完所有內存。在發現內存緊張時，系統就會通過一系列機制來回收內存，比如下面這三種方式：
- 回收緩存，比如使用 LRU（Least Recently Used）算法，回收最近使用最少的內存頁面；
- 回收不常訪問的內存，把不常用的內存通過交換分區直接寫到磁盤中；
- 殺死進程，內存緊張時系統還會通過 OOM（Out of Memory），直接殺掉占用大量內存的進程。
其中，第二種方式回收不常訪問的內存時，會用到交換分區（以下簡稱 Swap）。Swap 其實就是把一塊磁盤空間當成內存來用。它可以把進程暫時不用的數據存儲到磁盤中（這個過程稱為換出），當進程訪問這些內存時，再從磁盤讀取這些數據到內存中（這個過程稱為換入）。
所以，可以發現，Swap 把系統的可用內存變大了。不過要注意，通常只在內存不足時，才會發生 Swap 交換。並且由於磁盤讀寫的速度遠比內存慢，Swap 會導致嚴重的內存性能問題。
第三種方式提到的 OOM（Out of Memory），其實是內核的一種保護機制。它監控進程的內存使用情況，並且使用 oom_score 為每個進程的內存使用情況進行評分：
- 一個進程消耗的內存越大，oom_score 就越大；
- 一個進程運行占用的 CPU 越多，oom_score 就越小。
這樣，進程的 oom_score 越大，代表消耗的內存越多，也就越容易被 OOM 殺死，從而可以更好保護系統。
當然，為了實際工作的需要，管理員可以通過 /proc 文件系統，手動設置進程的 oom_adj ，從而調整進程的 oom_score。
oom_adj 的范圍是 [-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。
比如用下面的命令，就可以把 sshd 進程的 oom_adj 調小為 -16，這樣， sshd 進程就不容易被 OOM 殺死。
1 echo -16 > /proc/$(pidof sshd)/oom_adj
小結
- 對普通進程來說，它能看到的其實是內核提供的虛擬內存，這些虛擬內存還需要通過頁表，由系統映射為物理內存。
- 當進程通過 malloc() 申請內存后，內存並不會立即分配，而是在首次訪問時，才通過缺頁異常陷入內核中分配內存。
- 由於進程的虛擬地址空間比物理內存大很多，Linux 還提供了一系列的機制，應對內存不足的問題，比如緩存的回收、交換分區 Swap 以及OOM 等。
- 當需要了解系統或者進程的內存使用情況時，可以用 free 和 top 、ps 等性能工具。它們都是分析性能問題時最常用的性能工具。