內(nèi)存是Linux內(nèi)核所管理的最重要的資源之一，內(nèi)存管理系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中最為重要的部分。對于Linux的初學者來說，熟悉Linux的內(nèi)存管理非常重要。

進程是運行于虛擬地址空間的一個程序?？梢哉f，任何在Linux系統(tǒng)下運行的程序都是進程。Linux系統(tǒng)中包括交互進程和批處理進程。交互進程是由Shell控制和運行的，既可以在前臺運行，也可以在后臺運行。批處理進程不屬于某個終端，被提交到一個隊列中以便順序執(zhí)行。大多數(shù)的進程都需要虛擬內(nèi)存。

一般需要多少內(nèi)存

對于典型的Linux應(yīng)用系統(tǒng)，128MB內(nèi)存是合理的選擇。如果不運行X-Window系統(tǒng)，那么在一臺特殊用途的機器(比如用于調(diào)試設(shè)備驅(qū)動程序的“崩潰和燒毀”系統(tǒng))上僅用8MB內(nèi)存就可以工作。

筆者曾經(jīng)做過實驗，在128MB和256MB下編譯內(nèi)核所需的時間幾乎一樣，都少于3分半鐘(筆者的Linux發(fā)行版本是Mandrake Linux 9.1,內(nèi)核2.4.21)。在一個只有8MB內(nèi)存的系統(tǒng)上，編譯需要的時間會更長一些。類似Web瀏覽器這樣的多媒體應(yīng)用軟件，在內(nèi)存充足時會運行得更流暢，特別是在一邊編譯程序，一邊上網(wǎng)瀏覽的時候更是如此。因此，如果只有128MB內(nèi)存，則預期的性能會有所降低。類似地，如果要開發(fā)消耗大量內(nèi)存的應(yīng)用程序，可能會要求更多的內(nèi)存。所以，需要多少內(nèi)存由工作需求來決定。

實時監(jiān)控內(nèi)存使用情況

1.在命令行使用“Free”命令監(jiān)控內(nèi)存使用情況 #free

total　 used　　free shared buffers cached

Mem:　　　　256024 192284　 63740　　　0　 10676 101004

-/+ buffers/cache:　80604　 75420

Swap:　　　 522072　　　0　522072

上面代碼給出了一個256MB的RAM和512MB交換空間的系統(tǒng)情況。第三行輸出(Mem:)顯示物理內(nèi)存。Total列不顯示核心使用的物理內(nèi)存(通常大約1MB)。Used列顯示被使用的內(nèi)存總額(第二行不計緩沖)。Free列顯示全部沒有使用的內(nèi)存。Shared列顯示多個進程共享的內(nèi)存總額。Buffers列顯示磁盤緩存的當前大小。第五行(Swap:)對換空間，顯示的信息類似上面。如果這行為全0，那么就沒有使用對換空間。在缺省的狀態(tài)下，free命令以千字節(jié)(也就是1024字節(jié)為單位)來顯示內(nèi)存使用情況。使用-h參數(shù)，以字節(jié)為單位顯內(nèi)存使用情況;或者使用-m參數(shù)，以兆字節(jié)為單位顯示內(nèi)存使用情況。還可以通過-s參數(shù)，使用命令來不間斷地監(jiān)視內(nèi)存使用情況：

#free -b -s5

這個命令將會在終端窗口中連續(xù)不斷地報告內(nèi)存的使用情況，每5秒鐘更新一次。

2.使甩vmstat命令監(jiān)視虛擬內(nèi)存使用情況 #　vmstat

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- ----cpu----

r　b　 swpd　 free　 buff　cache　 si　 so　　bi　　bo　 in　　cs us sy id wa

1　0　　　0　63692　10704 101008　　0　　0　 239　　42　126　 105 48 45　7　0

vmstat()命令是一個通用監(jiān)控程序，是Virtual Meomory Statistics(虛擬內(nèi)存統(tǒng)計)的縮寫。如果使用vmstat命令的時候沒有使用任何命令行參數(shù)，將會得到一個一次性的報告。vmstat命令報告主要的活動類型有進程(procs)、內(nèi)存(以千字節(jié)為單位)、交換分區(qū)(以千字節(jié)為單位)、來自塊設(shè)備(硬盤驅(qū)動器)的輸入輸出量、系統(tǒng)中斷(每秒鐘發(fā)生的次數(shù))，以及中央處理單元(CPU)分配給用戶、系統(tǒng)和空閑時分別占用的比例。

虛擬內(nèi)存實現(xiàn)的機制

存儲管理子系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中最重要的組成部分之一。在早期計算時代，由于人們所需要的內(nèi)存數(shù)目遠遠大于物理內(nèi)存，因此設(shè)計出了各種各樣的策略來解決此問題，其中最成功的就是虛擬內(nèi)存技術(shù)，它使得系統(tǒng)中有限的物理內(nèi)存競爭進程所需內(nèi)存空間得到滿足。虛擬內(nèi)存通過在各個進程之間共享內(nèi)存，而使系統(tǒng)看起來有多于實際內(nèi)存的內(nèi)存容量。Linux支持虛擬內(nèi)存, 就是使用磁盤作為RAM的擴展，使可用內(nèi)存相應(yīng)地有效擴大。核心把當前不用的內(nèi)存塊存到硬盤，騰出內(nèi)存給其它目的。當原來的內(nèi)容又要使用時，再讀回內(nèi)存。運行于Linux的程序只看到大量的可用內(nèi)存，而不關(guān)心哪部分在磁盤上。當然，讀寫硬盤比真的內(nèi)存慢(大約慢千倍)，所以程序運行較慢。用做虛擬內(nèi)存的這部分硬盤叫對換空間。

虛擬內(nèi)存技術(shù)不僅僅讓我們可以使用更多的內(nèi)存，它還提供了下面這些功能：

1.巨大的尋址空間

操作系統(tǒng)讓系統(tǒng)看上去有比實際內(nèi)存大得多的內(nèi)存空間。虛擬內(nèi)存可以是系統(tǒng)中實際物理空間的許多倍。每個進程運行在其獨立的虛擬地址空間中，這些虛擬空間相互之間都完全隔離開來，所以進程間不會互相影響。同時，硬件虛擬內(nèi)存機構(gòu)可以將內(nèi)存的某些區(qū)域設(shè)置成不可寫，這樣可以保護代碼與數(shù)據(jù)不會受惡意程序的干擾。

2.公平的物理內(nèi)存分配

內(nèi)存管理子系統(tǒng)允許系統(tǒng)中每個運行的進程公平地共享系統(tǒng)中的物理內(nèi)存。

3.共享虛擬內(nèi)存

盡管虛擬內(nèi)存允許進程有其獨立的虛擬地址空間，但有時也需要在進程之間共享內(nèi)存。例如，有可能系統(tǒng)中有幾個進程同時運行BASH命令外殼程序。為了避免在每個進程的虛擬內(nèi)存空間內(nèi)都存在BASH程序的拷貝，較好的解決辦法是系統(tǒng)物理內(nèi)存中只存在一份BASH的拷貝，并在多個進程間共享。動態(tài)庫則是另外一種進程間共享執(zhí)行代碼的方式。共享內(nèi)存可用來作為進程間通信(IPC)的手段，多個進程通過共享內(nèi)存來交換信息。Linux支持SYSTEM V的共享內(nèi)存IPC機制。

4.進程的保護

系統(tǒng)中的每一個進程都有自己的虛擬地址空間。這些虛擬地址空間是完全分開的，這樣一個進程的運行不會影響其它進程，并且硬件上的虛擬內(nèi)存機制是被保護的，內(nèi)存不能被寫入。這樣可以防止迷失的應(yīng)用程序覆蓋代碼的數(shù)據(jù)。

5.Linux虛擬內(nèi)存實現(xiàn)機制

Linux虛擬內(nèi)存的實現(xiàn)需要6種機制的支持：地址映射機制、內(nèi)存分配回收機制、緩存和刷新機制、請求頁機制、交換機制和內(nèi)存共享機制。

內(nèi)存管理程序通過映射機制把用戶程序的邏輯地址映射到物理地址。當用戶程序運行時，如果發(fā)現(xiàn)程序中要用的虛地址沒有對應(yīng)的物理內(nèi)存，就發(fā)出了請求頁要求。如果有空閑的內(nèi)存可供分配，就請求分配內(nèi)存(于是用到了內(nèi)存的分配和回收)，并把正在使用的物理頁記錄在緩存中(使用了緩存機制)。如果沒有足夠的內(nèi)存可供分配，那么就調(diào)用交換機制;騰出一部分內(nèi)存。另外，在地址映射中要通過TLB(翻譯后援存儲器)來尋找物理頁;交換機制中也要用到交換緩存，并且把物理頁內(nèi)容交換到交換文件中，也要修改頁表來映射文件地址。Linux虛擬內(nèi)存實現(xiàn)原理見圖1。