Linux操作系统下的内存管理方法详细讲解

　　什么是虚拟内存?

　　Linux支持虚拟内存, 就是使用磁盘作为RAM的扩展，使可用内存相应地有效扩大。核心把当前不用的内存块存到硬盘，腾出内存给其他目的。当原来的内容又要使用时，再读回内存。这对用户全透明：运行于Linux的程序只看到大量的可用内存而不甘心哪部分在磁盘上。当然，读写硬盘比真的内存慢(慢千倍)，所以程序运行较慢。用做虚拟内存的这部分硬盘叫 对换空间。

　　Linux可以使用文件系统中的普通文件或单独的分区作为对换空间。对换分区更快，但对换文件更易于改变大小(无须对硬盘重分区)。如果知道要多少对换空间，应该用对换分区；如果不能确认，可以先用对换文件，用一段时间后再根据所需空间建立对换分区。

　　Linux允许同时使用多个对换分区和/或对换文件。即如果偶尔需要更多的对换空间，可以随时建立一个额外的对换文件。

　　产生对换空间

　　对换文件是普通文件，对核心没有什么特别的。唯一不同是它没有孔，用 mkswap 准备。必须在本地盘上，不能在通过NFS mount的文件系统中。

　　关于孔，是重要的。对换文件保留了磁盘空间，使核心能快速对换出一页，而不必经过如文件的定位磁盘扇区的全部事情。核心只用分配给这个文件的所有扇区。由于文件中的孔意味着没有为文件中这个位置分配磁盘扇区，这对核心使用不利。

　　产生没有孔的对换文件的一个好办法是通过如下命令：

　　$ dd if=/dev/zero of=/extra-swap bs=1024 count=1024 1024+0 records in 1024+0 records out $

　　/extra-swap 是对换文件名，大小由count=给出. 大小最好是4的倍数，因为核心写出的内存页是4KB。如果不是4的倍数，最后那几KB将不可用。

　　对换分区也没什么特别。就象产生其他分区一样产生；唯一的不同是它作为原始分区使用，即没有任何文件系统，最好将对换分区标记为类型82(Linux swap)，虽然这对核心没有影响，但这使分区列表更清晰。

　　产生对换文件或对换分区后，需要写个标记起用它，这包括核心要用的一些管理信息。命令是 mkswap , 用法如下：

　　$ mkswap /extra-swap 1024 Setting up swapspace, size = 1044480 bytes $

　　注意对换空间现在还没用，它存在，但核心还没用它提供虚拟内存。

　　请一定小心使用mkswap , 因为它不检查文件或分区是否被其他东西使用。 你可能用mkswap 很容易地覆盖了重要文件和分区! 幸好，你只需在你安装系统时使用mkswap 。

　　Linux内存管理限制了每个对换空间约为127MB(由于技术原因，实际限制是127.6875MB)。 可以同时使用最多16个对换空间，总计差不多2GB。

　　使用对换空间

　　用swapon 将一个初始化的对换空间可用。此命令告诉核心对换空间可以用了，对换空间的路径作为参数，启动一个临时对换文件可以用如下命令：

　　$ swapon /extra-swap $

　　对换空间如果列入/etc/fstab ，就可自动使用。

　　/dev/hda8 none swap sw 0 0 /swapfile none swap sw 0 0

　　启动手稿运行命令swapon -a, 它将启动/etc/fstab 中所列的所有对换空间。因此swapon 命令只有在启动额外的对换空间时才使用。 可以用free 监视对换空间的使用，它将给出所有使用的对换空间。

　　$ free total used free shared buffers Mem: 15152 14896 256 12404 2528 -/+ buffers: 12368 2784 Swap: 32452 6684 25768 $

　　前一行输出(Mem:)显示物理内存。 Total列不显示核心使用的物理内存(通常大约1MB)。Used列显示被使用的内存总额(第二行不计缓冲)。 Free列显示全部没使用的内存。Shared列显示多个进程共享的内存总额。Buffers列显示磁盘缓存的当前大小。 后一行(Swap:)对对换空间，显示的信息类似上面。如果这行为全0，那么没使用对换空间。

　　通过top ，或使用proc文件系统的/proc/meminfo 文件可以得到相同的信息。得到某个对换空间的使用信息目前还比较困难。

　　可用swapoff 取消对换空间，一般不必这样，除非是临时对换空间。对换空间中的要用的页被换入(swap->RAM)，如果没有足够的物理内存，就被换出(RAM->swap，到其他对换空间)。如果没有足够的虚拟内存放进所有页面，Linux将开始震荡(thrash); 很长时间以后应该能恢复，但此时系统不可用。取消一个对换空间前，应该检查(例如用free )是否有足够的物理内存。

　　用swapon -a自动使用的所有对换空间可以用swapoff -a取消。它查看文件/etc/fstab 得知要取消什么。任何手工起用的对换空间将依然使用着。

　　即使有许多空闲的物理内存，有时许多对换空间也被使用着。这种情况是由于在某个时间需要对换，但后来一个占用大量物理内存的大进程终止并释放了内存。直到被换出的数据要被使用之前它们并不自动换入。不必顾虑这种情况，但知道为什么会发生这种情况会更安心。

　　与其他操作系统共享对换空间

　　许多操作系统内置虚拟内存。由于他们只需在运行时使用，即，不会同时，那么除了当前运行的，其他所有对换空间都浪费着。如果他们共享同一个对换空间将更有效。这是可能的但需要一些Hacking工作。 Tips-HOWTO包含了一些如何完成这项任务的忠告。

　　分配对换空间

　　也许有人告诉你，应该分配2倍于物理内存的对换空间，但这是个虚假的规律。下面说明如何正确：

　　估计你的全部内存需求。这是你可能需要的最大量，即你要同时运行的所有程序所需的内存要求的总和。你可以同时运行你可能同时运行的所有程序试试。

　　例如，如果你想运行X，你得分配8MB给他，gcc要求数MB(有些文件偶尔可能需要很大量，数十MB，但一般4MB差不多)，等等。核心自己使用1MB，Shell和一些小工具可能需要几百KB(或说，总共1MB)。不必太精确，粗略估计就行，但可以较悲观地考虑。

　　记得如果将有多人同时使用系统，他们将都消耗内存。如果2个人同时运行相同的程序，总内存消耗一般并非加倍，因为代码页和共享库是单一的。

　　free 和ps 命令对估计内存需求很有用。

　　第一步的估计加上一些安全量。因为对程序大小的估计很可能是错误的，因为你可能忘了一些要运行的程序，并确定你有一些额外空间。应该有数MB。(分配太多对换空间比分配太少好，但不必过分，因为不使用的对换空间是浪费；见后文：关于增加对换空间。) Also,since it is nicer to deal with even numbers, you can round the value up to the next full megabyte.

　　基于以上计算，你知道了你总共需要多少内存。减去你的实际物理内存，就是对换空间。 (有些版本的UNIX中，你还需要分配物理内存的映象空间，所以第二布中计算的你所需的空间就不能减)

　　如果你计算的对换空间比你的实际物理内存大得多(大于好几倍以上)，那么你也许需要更多的物理内存，否则系统性能将太低。

　　即使计算显示你无须对换空间，最好还是至少有一些。Linux有些侵略性地使用对换空间，这样保持一定的空闲物理内存。即使内存还不为什么程序所需，Linux也会换出一些不用的内存页，这样在需要的时候就可以避免因对换的等待--即对换可以在硬盘空闲的时候提早完成。

　　对换空间可以分在几个硬盘中，这有时可以提高性能，依赖于这些盘的相对速度和存取模式。你可以尝试几中方案，但要知道正确地尝试是很困难的。不要相信某种方案比其他方案好的断定，因为它不会总是对的。

　　高速缓存

　　与存取(真正的)内存相比，从磁盘读是很慢的 另外，在相对短的一端时间里，多次读硬盘相同的部分是很常见的。例如，你可能先读了一封电子邮件，然后回复时又将它读入编辑器，然后复制它到一个文件夹时又用邮件程序读它。或者，考虑命令ls 可能被系统上的很多用户多么频繁地使用。只从磁盘读一次信息，并保持在硬盘中，知道不再需要，除了第一次读，其他都会较快。这就叫磁盘缓存disk buffering，用于此目的的内存叫buffer cache。

　　不幸的是，由于内存是有限且缺乏的资源，buffer cache一般不会足够大(大到能够装下所有人可能用到的数据)。当cache满时，最长时间不用的数据将被丢弃，内存释放给最新的数据。

　　磁盘缓冲也用于写操作。要写的数据经常马上又被读(例如一个源代码文件保存到文件中后又被编译器读出)，所以将要写的数据放在缓冲里是个好主意。另外，只将数据放如cache而不马上写到磁盘，写操作的程序执行速度更快。写操作然后可以在后台完成，而不降低其他程序的速度。

　　许多操作系统有buffer caches (即使名称不同),但并非都根据上述原理。有些是透写write-through: 数据马上写到磁盘(当然也同时写到cache) 不马上写的cache叫回写write-back。回写比透写更有效，但也更容易出错：如果系统崩溃，或电源突然掉电，或软盘在cache回写前被取出，那么cache中改变的数据将丢失。这可能意味着文件系统is not in full working order, 可能由于未写数据包含了系统记录信息的重要的变化。

　　因此，千万不要不经过正常的关闭过程直接关闭电源(见6章), 或没有unmount就取出软盘(如果是mount的)，或什么程序还在用着软盘，或软盘灯还在闪。 sync 命令刷新缓冲，即强制将所有未写数据写回磁盘，如果要确保所有数据安全回写，可以用它。传统的UNIX系统中，有个update 程序在后台运行，它每30秒运行一次 sync ，所以通常无须使用sync 。 Linux有一个另外的守侯程序bdflush ，它克服了sync 有时因磁盘I/O负荷太重(因为频繁的操作)而导致有时系统突然呆住的问题。

　　Linux下，bdflush 由update 启动。一般无须考虑它，但如果bdflush 偶尔因为什么原因死了，核心会给出警告，此时应该手工启动它(/sbin/update )。

　　cache并不真正缓冲文件，而是块，就是磁盘I/O的最小单元(Linux下，一般是1kB)。这样，所有的目录、超级块、其他文件系统记录数据和无文件系统磁盘都可以被缓冲。

　　cache的效果决定于其大小。太小的cache几乎无用；它只能cache很少的数据，而可能在被重用前就被清除了。大小有赖于有多少数据被读写，相同的数据的存取频度。唯一的方法是实验。

　　如果cache是固定大小，那么不应该太大，否则，会由于空闲内存空间太小而使用swap(也很慢)。为了最有效地使用真实内存，Linux自动使用所有空闲内存作为buffer cache，当程序需要更多内存时，自动减少cache。

　　Linux下，对cache使用无须做任何工作，它完全是自动的。除了要正常关闭系统和取出软盘，无须关心cache。