一种Linux内存管理机制

第３３卷　第１２期　Ｖｏ１．３３　ＮＯ．１２　新乡学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉｎｘｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　２０１６年１２月　

Ｄｅｅ．２０１６　

一种Ｌｉｎｕｘ内存管理机制　谢文娣，冷先进，金建　（安徽新华学院电子通信工程学院，合肥２３００８８）　摘要：以Ｌｉｎｕｘ内存管理研究为基础，阐述了内存管理模型、伙伴系统ｓｌａｂ分配流程和内存回收策略，提出了通过修改　内存管理器和调整Ｌｉｎｕｘ水位线的方法，以避免ＯＯＭ（ｏｕｔ　ｏｆ　ｍｅｍｏ￣）事件的发生和内存耗尽问题的出现，并对内存变化过　程进行了分析。　关键词：内存管理；内存回收策略；水位线；ＯＯＭ　中图分类号：ＴＰ３１６．８５　文献标识码：Ａ　文章编号：２０９５—７７２６（２０１６）１２—００３１—０６　

内存是Ｌｉｎｕｘ系统中重要的资源，在运行过程中，　系统内核和所有进程的运行都需要使用有限的物理内　存，因此内存的分配和释放策略制约着系统的运行效　率。高效的内存管理策略不仅要有效地管理系统内存，　减少内存频繁分配，避免出现内存耗尽的情况．而且要　尽量提高分配和回收的速度以提高系统的运行效率。　１　Ｌｉｎｕｘ内存管理模型　Ｌｉｎａｘ系统的内存区域ｚｏｎｅ）分为ＺＯＮＥ—ＤＭＡ、　ＺＯＮＥ　ＮＯＲＭＡＬ和ＺＯＮＥ—ＨＩＧＨＭＥＭ三种，系统给每　种ｚｏｎｅ都分配有ｂｕｄｄｙ　ｓｙｓｔｅｍ。在ｂｕｄｄｙ　ｓｙｓｔｅｍ中．物　理内存空间是按２的整数次幂（称为ｏｒｄｅｒ）放于　ｚｏｎｅ＿￣ｅｅ＿ａｒｅａ中的。系统会按照需求先拆分物理内存　空间进行内存分配，再合并和释放内存，即在ｚｏｎｅ　ａｌｌｏｃａｔｏｒ里调用ａｌｌｏｃ＿ｐａｇｅ（）函数分配内存，调用　ｆｒｅｅ＿ｐａｇｅ（）函数释放内存。虽然ｂｕｄｄｙ　ｓｙｓｔｅｍ的效率　非常高。但它存在内部碎片问题，这是因为只有从２的　０次方到ＭＡＸ—ＯＲＤＥＲ次方的页才会被分配出来，且　对于硬件ｃａｃｈｅ（缓存）来说，这种使用方法也不方便。　在Ｌｉｎｕｘ内核中，固定分配的内存经常会被申请使用，　如果每次申请都必须通过ｂｕｄｄｙ　ｓｙｓｔｅｍ就会浪费时间　和空间．而引人ｓｌａｂ　ａｌｌｏｃａｔｏｒ（分配器）则可以节省时间　和空间。ｓｌａｂ　ａｌｌｏｃａｔｏｒ模型图如图１所示。　ｓｌａｂ　ａｌｌｏｃａｔｏｒ会把内存资源放到ｃａｃｈｅ里按定值　进行缓存。如果系统需要使用内存，就可直接从此　ｃａｃｈｅ里调取，不使用时就释放，而内存也会被重新放　回ｃａｃｈｅ里。ｃａｃｈｅ以ｓｌａｂ为单位来划分区域，几个连　接的物理页常常包含在一个ｓｌａｂ中。多个ｃａｃｈｅ在　ｓｌａｂ　ａｌｌｏｃａｔｏｒ中共同维护．而每个ｃａｃｈｅ里可能包含同　一类型的ｏｂｊｅｃｔ（对象）。系统通过调用ｋｍａｌｌｏｃ（）函数　或ｋｍｅｍ＿ｃａｃｈｅ＿ａｌｌｏｃ（）函数分配ｓｌａｂ　ａｌｌｏｃａｔｏｒ中的内　存资源，调用ｋｆｒｅｅ（）函数或ｋｍｅｍ＿ｃａｃｈｅ＿ｆｒｅｅ（）函数释　放内存，如果在通过调用ｋｍｅｍ＿ｃａｃｈｅ—ａｌｌｏｃ（）函数分　配内存时ｏｂｊｅｃｔ不在ｃａｃｈｅ中，那么就通过调用　ｃａｃｈｅ＿ｇｒｏｗ（）函数在ｃａｃｈｅ中增加一个ｓｌａｂ。　

ｃａｃｈｅ＿ｇｒｏｗ（）函数给ｏｂｊｅｃｔ分配物理内存（ｃａｃｈｅ＿ｇｒｏｗ　

（）＝＞ｋｍｅｍ＿ｇｅｔｐａｇｅｓ（）），而分配ｋｍｅｍ＿ｇｅｔｐａｇｅｓ还要通　过ｂｕｄｄｙ　ｓｙｓｔｅｍ实现　（ｋｍｅｍ＿ｇｅｔｐａｇｅｓ　（）＝＞　ａｌｌｏｃ＿ｐａｇｅｓ＿ｎｏｄｅ（）ａｌｌｏｃ＿ｐａｇｅｓ（））。由此可见，ｓｌａｂ　

ａｌｌｏｃａｔｏｒ的出现并不意味着ｂｕｄｄｙ　ｓｙｓｔｅｍ完全消失．而　是对后者的一种增强。　

图１　ｓｌａｂ　ａｌｌｏｃａｔｏｒ模型　收稿５１期：２０１６—０６—０１　基金项目：安徽高校自然科学研究项目（ＫＪ２０１６Ａ３０６）　作者简介：谢文娣（１９８７一），女，硕士，讲师，主要研究方向：嵌入式系统、计算机网络和移动通信。　・３２・　新乡学院学报　２　Ｌｉｎｕｘ伙伴系统　２．１分配流程　（１）正常分配（或叫快速分配）　为提升性能，对分配的是单个页面的情况，系统会　在每个内存管理区中都定义一个“ｐｅｒＣＰＵ”页框高速　缓存。所有的“ｐｅｒＣＰＵ”高速缓存中都包含一些预先分　配的页框．这些页框可以用来满足本地ＣＰＵ发出的单　个页内存请求。Ｌｉｎｕｘ内核为每个内存管理区和ＣＰＵ　都提供了两种高速缓存：一种是热高速缓存，它存放的　页框中所包含的内容很可能在ＣＰＵ硬件高速缓存中　也存在；另一种是冷高速缓存。如果ｐｅｒＣＰＵ缓存中不　存在页面，则可通过伙伴系统来提取页面进行增补。　对多个页面的分配，系统先分配指定类型的页面，　若指定类型没有足够的页面。就转而分配链表中备用　的类型，然后将类型链表保留下来。　（２）慢速（允许等待和页面回收）分配　慢速分配的一般流程是：唤醒内存页面回收线　程一尝试低水位分配一忽略水位分配一压缩内存分　配一直接回收内存分配一杀死线程分配（称为ＯＯＭ　ｋｉｌｌｅｒ）一压缩内存分配。　在Ｌｉｎｕｘ伙伴系统中．每个ｏｒｄｅｒ都被分为五种不　同的类型，它们被统称为ＭＩＧＲＡＴＥ—ＴＹＰＥＳ，即迁移类　

型。ＭＩＧＲＡＴＥ　ＴＹＰＥＳ是反碎片的一种机制，其原理是　将伙伴系统的内存页分为可移动、不可移动和可回收　等几种类型。同一类型的页只能放在同一个区域，如不　可回收的页不能放在可移动类型区域。　ＭＩＧＲＡＴＥＵＮＭＯＶＡＢＬＥ是不可移动页，在内存　中有固定位置。不能移动，核心内核分配的大部分内存　属于此类。ＭＩＧＲＡＴＥ—ＲＥＣＬＡＩＭＡＢＬＥ是可回收页，不　能移动，但可以删除，Ｋｓｗａｐｄ内核线程在有交换页面　需要时对此区域进行操作，如内存欠缺，Ｋｓｗａｐｄ会将　某些处于进程中的页面与ｓｗａｐ空间交换。　ＭＩＧＲＡＴＥ—ＭＯＶＡＢＬＥ是可移动又可回收页，用户空间　

程序使用此类，通过页表映射实现，若应用程序虚拟地　址空间有变化，只需变化页表即可。ＭＩＧＲＡＴＥ＿ＲＥＳＥＲＶＥ　是在系统剩余内存很少且要求又比较紧急时才用到的区　域。ＭＩＧＲＡＴＥ—ＩＳＯＬＡＴＥ在非一致内存访问ＮＵＭＡ　（ｎｏｎ—ｕｎｉｆｏｒｍ　ｍｅｍｏ￣ａｃｃｅｓｓ）架构上使用，它是一种　特殊的虚拟区域．用于跨越ＮＵＭＡ节点移动物理内　存页．系统不能通过这个区域申请内存。　图２是从内存为２　ＧＢ的Ｌｉｎｕｘ系统中得到的　内存分配信息。在图２中，前面几行是每个迁移类　型可用内存的页数，最后一行是每个迁移类型的总　页数　

图２　２　Ｇｂ内存分配图　２．２内存回收策略　（１）定期检查　系统的内存使用量是由ｋｓｗａｐｄ进程定期检查的，　ｋｓｗａｐｄ进程在后台运行，当它检测到系统固定的阈值　大于空闲的物理页面数时，系统就会进行页面回收。　（２）内存不足　在某些情况下．操作系统会突然需要通过伙伴系　统为用户进程分配大量内存，或是需要新建一个较大　的缓冲区，而此时若没有满足要求的物理内存，操作系　统就需要尽快执行页面回收操作．释放出部分内存空　间。这种页面回收方式也被称作“直接页面回收”，它采　用页面回收算法（ＰＦＲＡ）。ＰＦＲＡ以获取页框并使它空　余为目的．它根据页框所包含的内容而使用不同的　处理方式。页框的内容分为不可回收页面、可交换页　面、可同步页面和可丢弃页面。许多种属于进程的用　户态、磁盘和高速缓存内存的页必须通过ＰＦＲＡ处　理，处理时都根据试探法的几条准则进行，处理流程　如图３所示。　谢文娣，冷先进，金建：一种Ｌｉｎｕｘ内存管理机制　・３３・　ＳｈｒｉｎｋＡ￣ａｇｅ—

ｌｉｓｔ　０　

——’ｌ可以回收的页面　：在交换缓存中、＼　塑匿名页　！，—／　、、丫　

霎　竺　！　合　Ｉ否　＜＝＝＝　Ｉ否　

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孺　髓页　炳的　是　是　数据回写　

释放干净页面　图３　ＰＦＲＡ处理流程　系统在通过内存回收策略回收页面后也无法满足　内存的需求时，会做出ＯＯＭ（ｏｕｔ　ｏｆ　ｍｅｍｏｒｙ）ｋｉｌｌｅｒ的　决策。这是一种内存耗尽时管理内存的处理机制：操作　系统会挑选正在运行中最恰当的一个进程，将其杀掉　并将它所占用的页面全部释放。　内存回收机制主要依赖于ｐａｇｅｓ—ｍｉｎ、ｐａｇｅｓ＿ｌｏｗ　和ｐａｇｅｓ＿ｈｉｇｈ三个字段。这三个字段在每个ｚｏｎｅ的描　述符中都有各自的定义：ｐａｇｅｓ＿ｍｉｎ是区域预留的页面　数目，ｐａｇｅｓ＿ｌＯＷ是控制进行页面回收的最小阈值，　ｐａｇｅｓ—ｈｉｇｈ是控制进行页面回收的最大阈值。如果　ｐａｇｅｓ—ｍｉｎ大于空闲的物理页面数．那么系统运行会有　较大的压力，需要进行页面回收。如果ｐａｇｅｓ＿ｌＯＷ高于　空闲的物理页面数，那么页面回收操作就会在系统内　核中开始进行。ｐａｇｅｓ＿ｈｉｇｈ低于空闲的物理页面数则　是内存区域最理想的状态。　３问题与解决方案　３．１内存管理问题　系统在初始化时会根据内存的大小计算出一个回　收内存的阈值，用来控制系统的空闲内存。阈值越低．　内存回收开始的越晚，空闲内存越小。其计算规则是：　ｍｉｎ～ｆｒｅｅ—ｋｂｙｔｅｓ＝ｓｑｒｔ（１ｏｗｍｅｍ—ｋｂｙｔｅｓ　１６）＝４　ｓｑｒｔ　ｌｏｗｍｅｍ—ｋｂｙｔｅｓ）　其中ｌｏｗｍｅｍ—ｋｂｙｔｅｓ是指系统内存大小。这种规则计　算出来的阈值的范围为１２８　Ｋ～６４　Ｍ。由于　ｒａｉｎ—ｆｒｅｅ—ｋｂｙｔｅｓ不是随着内存的增大而线性增大，因　此也无需按线性预留出过多的内存，只要能保证系统　的紧急使用量即可。　Ｌｉｎｕｘ为内存的使用设置了三种内存水位标记，　ｗａｔｅｒｍａｒｋ［ｈｉｇｈ］、ｗａｔｅｒｍａｒｋ［１ｏｗ］和ｗａｔｅｒｍａｒｋ［ｒａｉｎ］。它　们所标记的含义分别为：剩余内存在ｈｉ　以上，表示　内存剩余较多。目前内存使用压力不大；在ｈｉｇｈ到高　于ｌｏｗ的范围内，表示目前剩余内存使用存在一定压　力：在ｌｏｗ到高于ｍｉｎ的范围内，表示内存开始有使用　压力，剩余内存不多；ｍｉｎ是最小的水位标记，当剩余　内存达到这个状态时，就说明使用面临很大压力。小于　ｍｉｎ的这部分内存是内核保留给特定情况使用的，一　般不会分配。内存回收行为是基于剩余内存的水位标　记进行决策的：当系统剩余内存低于ｗａｔｅｒｍａｒｋ［１ｏｗ］　的时候，内核的ｋｓｗａｐｄ开始起作用，进行内存回收，直　到剩余内存达到ｗａｔｅｒｍａｒｋ［ｈｉｇｈ］的时候停止。如果内　存消耗导致剩余内存达到或超过ｗａｔｅｒｍａｒｋ［ｍｉｎ］，就　会触发直接回收（ｄｉｒｅｃｔ　ｒｅｃｌａｉｍ）。　ｍｉｎ—ｆｒｅｅ—

ｋｂｙｔｅｓ的主要用途是计算影响内存回收　

的三个参数ｗａｔｅｒｍａｒｋ［ｍｉｎｆｌｏｗ／ｈｉｇｈ］，等同于　ｐａｇｅ＿ｍｉｎ、ｐａｇｅ　１ＯＷ和ｐａｇｅ＿ｈｉｇｈ。　ｐａｇｅ＿ｍｉｎ＝ｗａｔｅｒｍａｒｋ［ｍｉｎ］＝ｍｉｎ　ｆｒｅｅ——ｋｂｙｔｅｓ　ｐａｇｅ＿ｌｏｗ＝ｗａｔｅｒｍａｒｋ［１ｏｗ］＝ｗａｔｅｒｍａｒｋ［ｍｉｎ］　５／４　ｐａｇｅ—ｈｉｇｈ＝ｗａｔｅｒｍａｒｋ［ｈｉｇｈ］＝ｗａｔｅｒｍａｒｋ［ｍｉｎ］　３／２　ｍｉｎ＿ｆｒｅｅ—