软件性能测试（连载9）

2. 内存

1）内核空间、用户空间

Linux内核给每个进程都提供了一个独立的虚拟地址空间，并且这个地址空间是连续的。Linux的空间又分为内核空间和用户空间，在32位中，内核空间占1G，用户空间占3G；而在64位中，内核空间和用户空间各占128T。如图3-24所示。

图3-24 Linux内存空间

2）内核映射

Linux不会直接访问物理内存地址，而是访问虚拟地址。内存映射，就是将虚拟内存地址映射到物理内存地址。而当进程访问的虚拟地址在页表中查不到的时候，系统会产生一个缺页异常，进入内核空间分配物理内存、更新进程页表，最后再返回用户空间，恢复进程的运行。内核映射如图3-25所示。

图3-25 内核映射

3）虚拟内存空间分布

虚拟内存空间分布以32位为例，如图3-26所示。

图3-26 虚拟内存空间分布（以32位为例）

从下到上依次为只读段、数据段、堆、文件映射和栈五部分组成。

•栈。

包括局部变量和函数调用的上下文等。栈的大小是固定的，一般为8MB。

•文件映射段。

包括动态分配的内存，从低地址开始向上增长。

•堆。

包括动态分配的内存，从低地址开始向上增长。

•数据段。

数据段。

•只读段。

包括代码和常量。

堆和文件映射段的内存是动态分配的，可以使用C标准库的malloc()或者mmap()方法进行分配。

4）内存的分配和释放

① 内存分配

[33]malloc()是C语言提供的内存分配方法，有两种实现方式：brk()和mmap()。

对小块内存是指≤128K的内存，C语言使用 brk()函数来分配，它通过移动堆顶的位置来分配内存。这些内存释放后并不会马上还给系统，而是被缓存起来，就可以重复使用了。brk()函数的缓存，可以减少缺页异常的发生，从而提高内存访问的效率。但是由于这些内存没有还给系统，在内存工作繁忙的时候，频繁的内存分配和释放会造成大量的内存碎片。

大块内存是指>128K的内存，使用内存映射mmap()函数来分配，它在文件映射段找一块空闲内存分配出去。mmap()方式分配的内存，可以在释放时直接归还系统，所以每次 mmap都会发生缺页异常。在内存工作繁忙的时候，频繁的内存分配会导致大量的缺页异常，使内核的管理工作加大。这也正是malloc仅对大块内存使用mmap的原因。

② 内存回收

对于回收，有以下几种策略。

•FIFO（First In First Out）。

先进先出算法，即先放入缓存的先被移除。

•LRU（Least Recently Used）。

最近最少使用算法，离现在时间最久的先被移除。

•LFU（Least Frequently Used）。

最不常用算法，一定时间段内使用【次数（频率）】最少的先被移除。

Linux的内存回收一般分为以下三种方式。

•使用LRU（Least Recently Used）回收最近最少使用的缓存。

•通过LFU算法，把不常用的内存通过交换分区（Swap：把硬盘空间作为内存使用的机制）直接写到磁盘中。

•杀死进程，内存紧张时系统通过OOM（Out of Memory），直接杀掉占用大量内存的进程。

在这里简单介绍一下OOM。Linux内核根据应用程序的要求来分配内存，应用程序分配了内存可能没有实际全部使用，为了提高性能，这部分没用的内存可以留作其他用途，由于这部分内存是属于每个进程的，内核直接回收利用会带来麻烦，所以内核采用一种过度分配内存（over-commit memory）的机制来间接利用这部分“空闲”的内存，来提高整体内存的使用效率。一般来说这样是没有问题的，但是当大多数应用程序都消耗完自己的内存的时候就有问题了，因为这些应用程序的内存需求之和超出了物理内存（包括SWAP）的容量，内核必须杀掉一些进程才能产生空间来保障系统的正常运行。Linux内核的这种机制叫做OOMkiller（Out-Of-Memorykiller），该机制会监控那些占用内存过大，尤其是瞬间很快消耗大量内存的进程，为了防止内存耗尽内核会把该进程杀掉。在OOM中，使用oom_score来为每个进程的内存使用情况进行评分。

•一个进程消耗的内存越大，oom_score就越大。

•一个进程运行占用的CPU越多，oom_score 就越小。

当进程的oom_score 越大，表示消耗的内存越多，也就越容易被OOM杀死，从而可以更好保护系统。也可以通过oom_adj来调整oom_score。oom_adj的范围是[-17, 15]，数值越大，表示进程越容易被OOM杀死；数值越小，表示进程越不容易被OOM杀死，其中-17表示禁止OOM。oom_adj位于/proc/$(pidof sshd)/oom_adj，可以通过

#echo -16 > /proc/$(pidof sshd)/oom_adj

来设置。也可以通过

# cat /proc/$(pidof sshd)/oom_adj

-16

来获得。

5）查看内存使用情况

可以通过命令free来查看内存使用情况。

# free

total used free shared buff/cache available

Mem: 4312648 1577592 210964 18624 2524092 2426060

Swap: 969960 1036 968924

其参数参考表3-7所示。

表3-7 freet命令输出详解

注意：在这里available不仅包含未使用内存，还包括了可回收的缓存。查看内存瓶颈并非看free即可。

也可以用top命令的第4、5行及进程部分来查看内存的使用情况。

#top

…

KiB Mem : 4312648 total, 107164 free, 1584800 used, 2620684 buff/cache

KiB Swap: 969960 total, 968924 free, 1036 used. 2417764 avail Mem

PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND

20864root 20 0 4784 1520 1236 R 98.0 0.0 0:03.34 gzip

2044 jerry 20 0 3745868 204216 79064 S 8.9 4.7 1:13.52 gnome-shell

20866root 20 0 14696 812 748 S 6.3 0.0 0:00.22 cpio

1915 jerry 20 0 462104 86288 47384S 4.6 2.0 0:26.55 Xorg

2416 jerry 20 0 730376 38900 27232 S 3.0 0.9 0:14.85 gnome-terminal-

22 root 20 0 0 0 0 S 2.6 0.0 0:00.50 ksoftirqd/2

top命令第4、5行其参数请参考表3-8。

表3-8 top命令中第4、5行参数含义

top命令进程中关于内存性能如表3-9所示。

表3-9 top命令进程中关于内存性能参数