[TOC] ## 内存与I/O的交换 堆、栈、代码段是否常驻内存?本文主要介绍两类不同的页面,以及这两类页面如何在内存和磁盘间进行交换?以及内存和磁盘的颠簸行为- swaping,和硬盘的swap分区。 ### page cache **file-backed的页面**:(有文件背景的页面,比如代码段、比如read/write方法读写的文件、比如mmap读写的文件;他们有对应的硬盘文件,因此如果要交换,可以直接和硬盘对应的文件进行交换),此部分页面进page cache。 **匿名页**:匿名页,如stack,heap,CoW后的数据段等;他们没有对应的硬盘文件,因此如果要交换,只能交换到虚拟内存-swapfile或者Linux的swap硬盘分区),此部分页面,如果系统内存不充分,可以被swap到swapfile或者硬盘的swap分区。 ![page_cache.jpeg](https://box.kancloud.cn/074c0af692c2263bbab9e72718902bbd_1456x914.jpeg) 内核通过两种方式打开硬盘的文件,**任何时候打开文件,Linux会申请一个page cache,然后把文件读到page cache里。**page cache 是内存针对硬盘的缓存。 Linux读写文件有两种方式:read/write 和 mmap 1)read/write: read会把内核空间的page cache,往用户空间的buffer拷贝。 参数 fd, buffer, size ,write只是把用户空间的buffer拷贝到内核空间的page cache。 2)mmap:可以避免内核空间到用户空间拷贝的过程,直接把文件映射成一个虚拟地址指针,指向linux内核申请的page cache。也就知道page cache和硬盘里文件的对应关系。 参数 fd, 文件对于应用程序,只是一部分内存。Linux使用write写文件,只是把文件写进内存,并没有sync。而内存的数据和硬盘交换的功能去完成。 ELF可执行程序的头部会记录,从xxx到xxx是代码段。把代码段映射到虚拟地址,0~3 G, 权限是RX。这段地址映射到内核空间的page cache, 这段page cache又映射到可执行程序。 page cache,会根据LRU算法(最近最少使用)进行替换。 demo演示 page cache会多大程度影响程序执行时间。 ``` echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches time python hello.py \time -v python hello.py root@whale:/home/gzzhangyi2015# \time -v python hello.py Hello World! Love, Python Command being timed: "python hello.py" User time (seconds): 0.01 System time (seconds): 0.00 Percent of CPU this job got: 40% Elapsed (wall clock) time (h:mm:ss or m:ss): 0:00.03 Average shared text size (kbytes): 0 Average unshared data size (kbytes): 0 Average stack size (kbytes): 0 Average total size (kbytes): 0 Maximum resident set size (kbytes): 6544 Average resident set size (kbytes): 0 Major (requiring I/O) page faults: 10 Minor (reclaiming a frame) page faults: 778 Voluntary context switches: 54 Involuntary context switches: 9 Swaps: 0 File system inputs: 6528 File system outputs: 0 Socket messages sent: 0 Socket messages received: 0 Signals delivered: 0 Page size (bytes): 4096 Exit status: 0 root@whale:/home/gzzhangyi2015# \time -v python hello.py Hello World! Love, Python Command being timed: "python hello.py" User time (seconds): 0.01 System time (seconds): 0.00 Percent of CPU this job got: 84% Elapsed (wall clock) time (h:mm:ss or m:ss): 0:00.01 Average shared text size (kbytes): 0 Average unshared data size (kbytes): 0 Average stack size (kbytes): 0 Average total size (kbytes): 0 Maximum resident set size (kbytes): 6624 Average resident set size (kbytes): 0 Major (requiring I/O) page faults: 0 Minor (reclaiming a frame) page faults: 770 Voluntary context switches: 1 Involuntary context switches: 4 Swaps: 0 File system inputs: 0 File system outputs: 0 Socket messages sent: 0 Socket messages received: 0 Signals delivered: 0 Page size (bytes): 4096 Exit status: 0 ``` 总结:Linux有两种方式读取文件,不管以何种方式读文件,都会产生page cache 。 ### free命令的详细解释 ``` total used free shared buffers cached Mem: 49537244 1667532 47869712 146808 21652 421268 -/+ buffers/cache: 1224612 48312632 Swap: 4194300 0 4194300 ``` ![pk的两种形式.jpeg](https://box.kancloud.cn/a21805f0ffe4796a515563f0d4afdd5d_1520x1078.jpeg) buffers/cache都是文件系统的缓存,当访问ext3/ext4,fat等文件系统中的文件,产生cache。当直接访问裸分区(/dev/sdax)时,产生buffer。 访问裸分区的用户,主要是应用程序直接打开 or 文件系统本身。dd命令 or 硬盘备份 or sd卡,会访问裸分区,产生的缓存就是buffer。而ext4文件系统把硬盘当作裸分区。 buffer和cache没有本质的区别,只是背景的区别。 -/+ buffer/cache 的公式 used buffers/cache = used - buffers - cached free buffers/cache = free + buffers + cached 新版free available参数:评估出有多少空闲内存给应用程序使用,free + 可回收的。 ![mmap](https://box.kancloud.cn/a1e76cf1cde56484a4fcae4c88525664_959x685.png) ### File-backed和Anonymous page * File-backed映射把进程的虚拟地址空间映射到files - 比如 代码段 - 比如 mmap一个字体文件 * Anonymous映射是进程的虚拟地址空间没有映射到任何file - Stack - Heap - CoW pages anonymous pages(没有任何文件背景)分配一个swapfile文件或者一个swap分区,来进行交换到磁盘的动作。 read/write和 mmap 本质上都是有文件背景的映射,把进程的虚拟地址空间映射到files。在内存中的副本,只是一个page cache。是page cache就有可能被踢出内存。CPU 内部的cache,当访问新的内存时,也会被踢出cache。 demo:演示进程的代码段是如何被踢出去的? ``` pidof firefox cat /proc/<pid>/smaps 运行 oom.c ``` ### swap以及zRAM 数据段,在未写过时,有文件背景。在写过之后,变成没有文件背景,就被当作匿名页。linux把swap分区,当作匿名页的文件背景。 swap(v.),内存和硬盘之间的颠簸行为。 swap(n.),swap分区和swap文件,当作内存中匿名页的交换背景。在windows内,被称作虚拟内存。pagefile.sys ### 页面回收和LRU ![内存回收](https://box.kancloud.cn/01dbf08123c1112973825c4f351dafc6_886x638.png) 回收匿名页和 回收有文件背景的页面。 后台慢慢回收:通过kswapd进程,回收到高水位(high)时,才停止回收。从low -> high 直接回收:当水位达到min水位,会在两种页面同时进行回收,回收比例通过swappiness越大,越倾向于回收匿名页;swappiness越小,越倾向于回收file-backed的页面。当然,它们的回收方法都是一样的LRU算法。 ### Linux Page Replacement 用LRU算法来进行swap和page cache的页面替换。 ![page_replacement.jpeg](https://box.kancloud.cn/a11df45741108320f320e6c70d001bea_1296x474.jpeg) 现在cache的大小是4页,前四次,1,2,3,4文件被一次使用,注意第七次,5文件被使用,系统评估最近最少被使用的文件是3,那么不好意思,3被swap出去,5加载进来,依次类推。 所以LRU可能会触发page cache或者anonymous页与对应文件的数据交换。 ### 嵌入式系统的zRAM ![zRAM_Swap](https://box.kancloud.cn/16df868a43f4c7f4e613e0d45dba7e77_1498x926.jpeg) zRAM: 用内存来做swap分区。从内存中开辟一小段出来,模拟成硬盘分区,做交换分区,交换匿名页,自带透明压缩功能。当应用程序往zRAM写数据时,会自动把匿名页进行压缩。当应用程序访问匿名页时,内存页表里不命中,发生page fault(major)。从zRAM中把匿名页透明解压出来,还到内存。