29 Jan 2022
记录这篇文章的目的是为了linux的性能调优，所以并不会记录详细的理论细节，只会将必要的过程进行个人语言的简单概要。
linux中，只有内核可以直接访问物理内存。进程无法直接访问物理内存，linux内核给每个进程都分配了一个独立的虚拟内存地址空间。这样进程就可以通过访问虚拟内存来达到使用内存的目的。
虚拟内存地址空间分为两部分，内核空间和地址空间。如果我们把内存地址由高到低排列，那么以64位系统举例，低位的128T被分配为用户空间，而高位的128T被分配为内核空间，高位和低位中间的部分，为未定义的部分。
进程在用户态时，只能访问用户空间内存；只有进入内核态后，才可以访问内核空间内存。虽然每个进程的地址空间都包含了内核空间，但这些内核空间，其实关联的都是相同的物理内存。
系统为每一个进程都分配了这么大的地址空间，那么所有进程的虚拟内存加起来，会比实际的物理内存大特别多。所以，并不是所有的虚拟空间都会分配到实际的物理内存，只有被实际使用的虚拟内存才会分配到物理内存。这个过程是通过内存映射管理的。
所谓内存映射，其实就是虚拟内存地址映射到物理内存地址。内核会为每一个进程维护一张页表，记录虚拟内存地址和物理内存地址的映射关系。这些页表实际上存储在CPU的内存管理单元MMU中，CPU就可以直接通过硬件，找出要访问的内存。
缺页异常，指的是进程访问的虚拟地址在页表中查不到其与物理地址的映射，进而进入内核空间分配物理内存给这个虚拟地址，然后更新进程页表，最后再返回用户空间，恢复进程的运行。
MMU的单位是页，页的大小通常为4KB大小。如果每个页是4KB，那么会导致页表非常巨大。为了解决这个问题，linux提供了两种机制，多级页表和大页。多级页表就是把内存分成区块管理；大页就是比普通也更大的内存块，常见的大小有2MB和1GB。大页通常用在使用大量内存的进程上，比如Oracle等
虚拟内存空间地址由高到低顺序排布，由上至下分别为内核空间、栈、文件映射、堆、数据段、只读段。
上面五个内存段中，堆和文件映射段的内存是动态分布的。C标准库中的malloc()或者mmap()，就分别可以在堆和文件映射段中动态分配内存
malloc()是C标准库提供的内存分配函数，对应到系统调用上，有两种方式，即brk()和mmap()。
对小块内存（小于128K），会使用系统调用blk()，通过移动堆顶的方式在堆上分配。这些内存释放后并不会立刻归还系统，而是被缓存起来，这样可以重复利用。
对于大块内存（大于128K），会使用内存映射mmap()在文件映射段分配空闲内存。
通过mmap()的参数，在文件关联性和映射区域是否共享两个维度
分为以下四种类型：
- 私有匿名映射，常用于内存分配
- 私有文件映射，常用于加载动态库
- 共享匿名映射，常用于进程间共享内存
- 共享文件映射，常用于内存映射IO，进程间通信
可通过
fd=-1和flags=MAP_ANONYMOUS | MAP_PRIVATE来分配私有匿名内存可通过
fd=-1和flags=MAP_ANONYMOUS | MAP_SHARED来分配共享匿名内存
以上两种方式各有优缺点，brk()方式的缓存，可以减少缺页异常的发生，提高内存访问率。不过由于内存并未归还系统，在内存工作繁忙时，频繁的内存分配和释放会造成内存碎片。而mmap()方式分配的内存，会在释放的时候直接归还系统，所以每次mmap必然会发生缺页异常。在内存工作繁忙时，频繁的内存分配和释放会导致大量的缺页异常，使内核的管理负担增大。这也是malloc()只对大块内存使用mmap()的原因。
此外，需要注意的是，当两种调用发生后，并未真正的分配内存。只有在内存被首次访问时，才会通过触发缺页异常进入内核中，再由内核真正的分配内存。
如果遇到比页更小的对象，比如不到1K的时候，该怎么分配内存呢？
实际系统运行中，确实有大量比页还小的对象，如果为它们分配单独的页，那么就存在大量的系统浪费。所以在
用户空间，malloc()通过brk()分配的内存，在释放时并不立即归还系统，而是缓存起来重复利用。在内核空间，linux则通过slab分配器来管理小内存，其主要作用就是分配并释放内核中的小对象。
对内存来说，如果一直分配却不释放，就会造成内存泄漏，甚至会耗尽系统内存。所以，在进程用完内存后，需要调用free()或unmap()来释放不用的内存。
当然，系统也不会任由某个进程用完所有的内存。在发现内存紧张时，系统就会通过一系列机制来回收内存，比如：
回收缓存，比如使用LRU（Least Recently Used）算法，回收最近使用最少的内存页；
回收不常访问的内存，把不常用的内存通过交换分区直接写到磁盘中。也就是使用所谓的swap(交换分区)，swap其实就是把一块磁盘空间当做内存来用，可以把暂时用不到的内存数据存入到磁盘中（swap out），当进程需要访问这部分数据时，再将数据从磁盘读取到内存中（swap in）。使用swap分区，虽然可以增大系统的可用内存，但是会造成严重的性能问题，因为磁盘的读写速度远低于内存的写入速度。
杀死进程，内存紧张时系统还会通过OOM（Out of Memory），直接杀掉占用大量内存的进程。这是内核的一种保护机制，它监控各个进程的内存使用情况，并且使用oom_score为每个进程的内存使用情况进行评分，评分的规则如下:
可以通过
/proc/<pid>/oom_adj来手动调整OOM，取值范围为[-17,15]，数值越大，表示越容易被OOM杀死，其中-17代表禁止OOM。