linux内存原理 linux释放内存

大家好，如果您还对linux内存原理不太了解，没有关系，今天就由本站为大家分享linux内存原理的知识，包括linux释放内存的问题都会给大家分析到，还望可以解决大家的问题，下面我们就开始吧！

Linux内存碎片深度剖析:原理、处理与分析全指南

在计算机科学的世界里，内存管理是构建稳定和高效系统的基石。它如同舞蹈中精确无误的步骤，关乎程序的性能和稳定性。正如《计算机程序的构造和解释》（Structure and Interpretation of Computer Programs）所言，程序必须管理好用于存储和操作数据的资源，这揭示了内存管理的核心挑战：如何高效、有效地分配和回收内存资源。

内存碎片，这一现象导致内存使用效率降低，分为内部碎片与外部碎片。内部碎片发生在内存块分配后，剩余空间无法再被利用。外部碎片则为多次分配与释放后，内存中留下小、不连续的空闲区域，虽总量足够但无法满足新的请求。本文将从原理、处理与分析全方位解析Linux内存碎片，通过图表、代码示例与人文思考，为读者提供清晰视角，理解并应对这一挑战。

接下来，我们将深入探讨内存碎片原理，分析Linux内存管理机制，探讨其影响与实际处理方案，并介绍调查与分析内存碎片的方法。通过这些内容，旨在帮助读者全面理解Linux内存管理，实践有效应对内存碎片问题。

内存碎片原理（Principles of Memory Fragmentation）

内存碎片问题反映了计算机系统中秩序与混乱的交织。在《浮士德》中，歌德写道：“在混沌中寻求秩序，我便是最有能力的人。”这句话揭示了人类试图在混乱中寻找意义与秩序的本性，内存碎片正是这一过程的体现。

虚拟内存与物理内存（Virtual Memory vs. Physical Memory）

现代计算机系统中，虚拟内存提供抽象，每个进程拥有一块连续的内存区域。虚拟内存通过操作系统将物理内存分割并映射到进程虚拟地址空间，即使物理内存分散使用，进程仍感觉拥有连续内存。

类型（Types）

内部碎片（Internal Fragmentation）

内部碎片发生在分配给进程的内存块内，当分配内存块比实际需要大时产生，由内存分配策略决定，如以页（通常为4KB）为单位分配。

外部碎片（External Fragmentation）

外部碎片为物理内存中空闲空间被分割成小块，这些小块太小，无法满足新内存请求，降低整体内存利用率。

页表与内存分配（Page Tables and Memory Allocation）

页表是虚拟内存管理的核心，维护虚拟地址到物理地址映射。页表项查询物理内存位置，内存碎片可能由此产生，如多个小分配请求导致大量小物理内存块占用。

Linux内存管理

Linux系统内存管理是确保系统稳定性和效率的关键。理解Linux内存管理机制对于系统管理员与开发者至关重要。本文将深入探讨Linux内存管理的核心机制，分析它们如何协同工作优化内存使用与减少碎片。

伙伴系统（Buddy System）

伙伴系统是Linux内核中用于物理内存管理的算法，通过分割内存成2的幂次方大小的块工作。它旨在减少外部碎片，提高内存分配与回收效率。

Slab分配器（Slab Allocator）

Slab分配器专门用于内核对象分配，通过缓存常用对象减少内存碎片与提高分配速度。它将对象保持在缓存中，即使被释放，也能快速重新分配。

透明大页（Transparent Huge Pages, THP）

透明大页是Linux内核特性，自动将多个标准页合并为大页，减少页表项数量，提高内存效率，减少碎片。

内存压缩（Memory Compaction）

内存压缩动态减少外部碎片，通过合并小空闲块为大块，满足大内存分配请求。这个过程有助于提高内存利用率。

内存碎片的影响

内存碎片对系统性能、内存利用率与程序稳定性影响显著。内存碎片的本质是随着时间的推移，系统内存分配与释放过程中不可避免产生的，如同生活的磨砺。了解与管理它，系统仍能有效运行。

系统性能（System Performance）

外部碎片可能导致系统无法为大内存请求找到连续空间，即使总空闲内存充足，增加输入/输出操作，降低性能。内部碎片则导致内存浪费，减少可用内存量。

内存利用率（Memory Utilization）

内存利用率衡量资源管理效率，内存碎片降低利用率，减少可用于新分配请求的连续内存块大小与数量。

程序稳定性（Program Stability）

程序稳定性取决于内存可靠分配。内存碎片可能导致程序运行时无法获取所需内存，引发错误与崩溃，影响稳定性。

内存碎片的处理方案

Linux系统中，内存碎片是不可避免的，但通过一系列策略与工具，可以最小化其对系统性能的影响。本文将探讨有效处理方案。

定期重启服务（Regularly Restarting Services）

定期重启服务简单直接，释放所有服务占用内存，包括碎片，有效减少碎片，实现直接且简单的解决方案。

使用大页内存分配（Using Large Page Memory Allocation）

使用大页内存分配减少页表条目与内存碎片，通过透明大页自动合并小页为大页，优化内存分配与减少碎片。

调整内存分配策略（Adjusting Memory Allocation Strategies）

调整内核参数优化内存分配与回收，如调整vm.swappiness参数控制内核使用交换空间的程度，减少碎片。

内核参数调优（Kernel Parameter Tuning）

内核参数调优细致控制内存分配策略，通过/proc/sys/vm目录下的参数调整，优化系统内存管理行为。

调查与分析手段

Linux系统中，调查与分析内存碎片手段包括系统工具与命令、性能分析工具与内存监控脚本。

系统工具与命令

/proc文件系统（The/proc Filesystem）

/proc文件系统提供内核状态窗口与配置参数，如meminfo与buddyinfo文件显示内存状态与外部碎片信息。

性能分析工具

perf与ftrace

perf工具跟踪系统调用、中断等，ftrace工具用于系统追踪点，分析内存分配行为。

内存监控脚本

编写脚本定期检查内存状态，记录可能的碎片化迹象，帮助识别内存碎片模式。

结论

深入解析Linux内存碎片原理、处理方案与分析手段后，本文结束。内存碎片是不可避免的，通过持续监控与主动管理，可最大限度减少其对系统性能的影响。

持续监控（Continuous Monitoring）

持续监控是系统稳定性的关键，通过工具如vmstat、iostat与free，获得内存使用即时快照。监控不仅仅是数据收集，更是解读数据背后的故事。

采取主动措施（Taking Proactive Measures）

采取主动措施包括定期重启服务与使用内核参数调优，优化内存使用。

未来展望（Future Outlook）

未来展望是持续改进与适应新技术，如容器化与云计算，重新考虑内存管理方法。在这个探索未知新大陆的过程中，我们需要不断学习与适应。

内存管理如同马拉松而非短跑，需要耐心、坚持与持续学习。确保系统和应用在不断变化的世界中稳定运行，是我们的目标。

内存管理:一文读懂Linux内存组织结构及页面布局

1、内存是什么？

1)内存又称主存，是 CPU能直接寻址的存储空间，由半导体器件制成；

2)内存的特点是存取速率快，断电一般不保存数据，非持久化设备；

2、内存的作用

1)暂时存放 cpu的运算数据

2)硬盘等外部存储器交换的数据

3)保障 cpu计算机的稳定性和高性能

1、linux内存地址空间 Linux内存管理全貌

2、内存地址——用户态&内核态

3、内存地址——MMU地址转换

4、内存地址——分段机制

1)段选择符

更多Linux内核视频教程文档资料免费领取后台私信【内核】自行获取。

内核学习网站：

Linux内核源码/内存调优/文件系统/进程管理/设备驱动/网络协议栈-学习视频教程-腾讯课堂

2)分段实现

5、内存地址——分页机制（32位）

6、用户态地址空间

7、内核态地址空间

8、进程内存空间

内存管理算法——对讨厌自己管理内存的人来说是天赐的礼物

1、内存碎片

1)基本原理

2)如何避免内存碎片

2、伙伴系统算法——组织结构

1)概念

2)外部碎片

3、伙伴系统算法——申请和回收

1)申请算法

2)回收算法

3)条件

4、如何分配 4M以上内存？

1)为何限制大块内存分配

2)内核中获取 4M以上大内存的方法

5、伙伴系统——反碎片机制

1)不可移动页

2)可回收页

6、slab算法——基本原理

1)基本概念

2)内部碎片

7、slab分配器的结构

详细参考：

经典|图解Linux内存性能优化核心思想

8、slab高速缓存

1)普通高速缓存

2)专用高速缓存

9、内核态内存池

1)基本原理

2)内核 API

10、用户态内存池

1) C++实例

11、DMA内存

1)什么是 DMA

2) DMA信号

out of memory的时代过去了吗？no，内存再充足也不可任性使用。

1、内存的使用场景

2、用户态内存分配函数

a)如果当前连续内存块足够 realloc的话，只是将 p所指向的空间扩大，并返回 p的指针地址。这个时候 q和 p指向的地址是一样的

b)如果当前连续内存块不够长度，再找一个足够长的地方，分配一块新的内存，q，并将 p指向的内容 copy到 q，返回 q。并将 p所指向的内存空间删除

3、内核态内存分配函数

4、malloc申请内存

5、缺页异常

6、用户进程访问内存分析

7、共享内存

1)原理

2) shm接口

1、C内存泄露

2、C野指针

3、C资源访问冲突

4、STL迭代器失效

错误示例：删除当前迭代器，迭代器会失效

正确示例：迭代器 erase时，需保存下一个迭代器

5、C++ 11智能指针

（1）原理分析：

（2）数据结构：

（3）使用方法：

6、C++ 11更小更快更安全

六、如何查看内存

可以通过 cat/proc/slabinfo命令查看

可以通过/proc/sys/vm/drop_caches来释放

简单概括Linux内核源码高速缓存原理(图例解析)

高速缓存(cache)概念和原理涉及在处理器附近增加一个小容量快速存储器(cache)，基于SRAM，由硬件自动管理。其基本思想为将频繁访问的数据块存储在cache中，CPU首先在cache中查找想访问的数据，而不是直接访问主存，以期数据存放在cache中。

Cache的基本概念包括块（block），CPU从内存中读取数据到Cache的时候是以块（CPU Line）为单位进行的，这一块块的数据被称为CPU Line，是CPU从内存读取数据到Cache的单位。

在访问某个不在cache中的block b时，从内存中取出block b并将block b放置在cache中。放置策略决定block b将被放置在哪里，而替换策略则决定哪个block将被替换。

Cache层次结构中，Intel Core i7提供一个例子。cache包含dCache（数据缓存）和iCache（指令缓存），解决关键问题包括判断数据在cache中的位置，数据查找(Data Identification)，地址映射(Address Mapping)，替换策略(Placement Policy)，以及保证cache与memory一致性的问题，即写入策略(Write Policy)。

主存与Cache的地址映射通过某种方法或规则将主存块定位到cache。映射方法包括直接(mapped)、全相联(fully-associated)、一对多映射等。直接映射优点是地址变换速度快，一对一映射，替换算法简单，但缺点是容易冲突，cache利用率低，命中率低。全相联映射的优点是提高命中率，缺点是硬件开销增加，相应替换算法复杂。组相联映射是一种特例，优点是提高cache利用率，缺点是替换算法复杂。

cache的容量决定了映射方式的选取。小容量cache采用组相联或全相联映射，大容量cache采用直接映射方式，查找速度快，但命中率相对较低。cache的访问速度取决于映射方式，要求高的场合采用直接映射，要求低的场合采用组相联或全相联映射。

Cache伪共享问题发生在多核心CPU中，两个不同线程同时访问和修改同一cache line中的不同变量时，会导致cache失效。解决伪共享的方法是避免数据正好位于同一cache line，或者使用特定宏定义如__cacheline_aligned_in_smp。Java并发框架Disruptor通过字节填充+继承的方式，避免伪共享，RingBuffer类中的RingBufferPad类和RingBufferFields类设计确保了cache line的连续性和稳定性，从而避免了伪共享问题。