Linux内存点滴 用户进程内存空间(4)

随着网络并发用户数量增多,进程数量越来越多(比如一般守护进程会fork()子进程来处理用户请求),缺页异常也就更频繁,需要缓存更多的磁盘数据(参考下篇OS Page Cache),RAM也就越来越紧少。为了保证有够用的页框供给缺页异常处理,Linux有一套自己的做法,称为PFRA。PFRA总会从用户态进内存程空间和页面缓存中,“窃取”页框满足供给。所谓”窃取”,指的是:将用户进程内存空间对应占用的页框中的数据swap out至磁盘(称为交换区),或者将OS页面缓存中的内存页(还有用户进程mmap()的内存页)flush(同步fsync())至磁盘设备。PS:如果你观察到因为RAM不足导致系统病态式般慢,通常都是因为缺页异常处理,以及PFRA在”盗页”。我们从以下几个方面了解PFRA。

候选页框

:找出哪些页框是可以被回收?

进程内存空间占用的页框,比如数据段中的页(Heap, Data),还有在Heap与Stack之间的匿名映射页(比如由malloc()分配的大内存)。但不包括Stack段中的页。

进程空间mmap()的内存页,有映射文件,非匿名映射。

缓存在页面缓存中Buffer/Cache占用的页框。也称OS Page Cache。

页框回收策略

:确定了要回收的页框,就要进一步确定先回收哪些候选页框

尽量先回收页面缓存中的Buffer/Cache。其次再回收内存空间占用的页框。

进程空间占用的页框,要是没有被锁定,都可以回收。所以,当某进程睡眠久了,占用的页框会逐渐地交换出去至交换区。

使收LRU置换算法,将那些久而未用的页框优先被回收。这种被放在LRU的unused链表的页,常被认为接下来也不太可能会被引用。

相对回收Buffer/Cache而言,回收进程内存页,昂贵很多。所以,Linux默认只有swap_tendency(交换倾向值)值不小于100时,才会选择换出进程占用的RES。其实交换倾向值描述的是:系统越忙,且RES都被进程占用了,Buffer/Cache只占了一点点的时候,才开始回收进程占用页框。PS:这正表明了,某些DBA提议将MySQL InnoDB服务器vm.swappiness值设置为0,以此让InnoDB Buffer Pool数据在RES呆得更久。

如果实在是没有页框可回收,PFRA使出最狠一招,杀掉一个用户态进程,并释放这些被占的页框。当然,这个被杀的进程不是胡乱选的,至少应该是占用较多页框,运行优选级低,且不是root用户的进程。

激活回收页框

:什么时候会回收页框?

紧急回收。系统内核发现没有够用的页框分配,供给读文件和内存缺页处理的时候,系统内核开始”紧急回收页框”。唤醒pdflush内核线程,先将1024页脏页从页面缓存写回磁盘。然后开始回收32页框,若反复回收13次,还收不齐32页框,则发狠杀一个进程。

周期性回收。在紧急回收之前,PFRA还会唤醒内核线程kswapd。为了避免更多的“紧急回收”,当发现空闲页框数量低于设置的警告值时,内核线程kswapd就会被唤醒,回收页框。直到空闲的页框的数量达到设定的安全值。PS:当RES资源紧张的时候,你可以通过ps命令看到更多的kswapd线程被唤醒。

OOM。在高峰时期,RES高度紧张的时候,kswapd持续回收的页框供不应求,直到进入”紧急回收”,直到 OOM。

Paging 和Swapping

这二个关键字在很多地方出现,译过来应该是Paging(调页),Swapping(交换)。PS:英语里面用得多的动词加上ing,就成了名词,比如building。咬文嚼字,实在是太难。看二图

Linux内存点滴 用户进程内存空间


Swapping的大部分时间花在数据传输上,交换的数据也越多,意味时间开销也随之增加。对于进程而言,这个过程是透明的。由于RAM资源不足,PFRA会将部分匿名页框的数据写入到交换区(swap area),备份之,这个动作称为so(swap out)。等到发生内存缺页异常的时候,缺页异常处理程序会将交换区(磁盘)的页面又读回物理内存,这个动作称为si(swap in)。每次Swapping,都有可能不只是一页数据,不管是si,还是so。Swapping意味着磁盘操作,更新页表等操作,这些操作开销都不小,会阻塞用户态进程。所以,持续飚高的si/so意味着物理内存资源是性能瓶颈。

Linux内存点滴 用户进程内存空间


Paging,前文我们有说过Demand Paging。通过线性地址找到物理地址,找到页框。这个过程,可以认为是Paging,对于进程来讲,也是透明的。Paging意味着产生缺页异常,也有可能是大缺页,也就意味着浪费更多的CPU时间片资源。

总结

1.用户进程内存空间分为5段,Text, DATA, BSS, Heap, Stack。其中Text只读可执行,DATA全局变量和静态变量,Heap用完就尽早free(),Stack里面的数据是临时的,退出函数就没了。
2.glibc malloc()动态分配内存。使用brk()或者mmap(),128Kbytes是一个临界值。避免内存泄露,避免野指针。
3.内核会尽量延后Demand Paging。主缺页是昂贵的。
4.先回收Buffer/Cache占用的页框,然后程序占用的页框,使用LRU置换算法。调小vm.swappiness值可以减少Swapping,减少大缺页。
5.更少的Paging和Swapping
6.fork()继承父进程的地址空间,不过是只读,使用cow技术,fork()函数特殊在于它返回二次。

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