Linux内核之内存4: 内存与I/O的交换

1. page cache

Linux 读写文件过程；

read: 用户进程调用 read 命令，内核查询读取的文件内容是否在内存 (内核 page cache) 中，若该页内容缓存在内存中，直接读取返回给用户进程；若缓存不存在，则启动 BIO，从硬盘读取该页面到内存，再送给用户进程；

write过程：比如往某文件 5K 处写入 10byte，内核先查询该页是否在内存缓存(内核 page cache)，不在，同 read, 从硬盘读取该页 4\~8K 到内存，再往 5k 处写入 10byte, 标明该页为脏页；

写回磁盘时机，则由内存管理的 BIO 机制决定。

Linux 读写文件两种方式：read/write,mmap

相同点：都经过 page cache 中介操作磁盘文件；

区别：

read/write：有一个用户空间和内核空间的拷贝过程；

mmap：指针直接操作文件映射的虚拟地址，省略了用户空间和内核空间的拷贝过程。

缺点是，很多设备不支持 mmap，比如串口，键盘等都不支持。

2.free 命令的详细解释

total: 系统总的内存

第一行 used: 所有用掉的内存，包括 app,kernel,page cached(可回收);

第一行 free: =total-used

第一行 buffers/cached：page cached 内存

第二行 free = 第一行 free+buffers+cached

114380=31040+8988+74352

第二行 used = 第一行 used-buffers-cached

40072=123412-8988-74352

第一行 used 是从 buddy 的角度，统计所有用掉的内存(包括 page cached)；

第二行 uesed，是从进程角度，包括 app/kernel/ , 不含 page cached(可回收)。

cached/buffer 区别：

cached: 通过文件系统访问；

buffer: 裸地址直接访问，存放文件系统的元数据(组织数据的数据)；

新版 free，去掉了 buffer/cached 的区别，加入一个 available，预估可用内存

在 cat /proc/meminfo 也可以看到预估项 MemAvailable

查看实现方法 git grep MemAvailable

vim  fs/proc/meminfo.c 

搜 MemAvailable，实现函数 si_mem_available

git grep  si_mem_available  

vim mmpage_alloc.c-- >long si_mem_available(void)

3.read、write 和 mmap

mmap 映射文件过程，实际上在进程创建一个 vma，映射到文件，当真正读 / 写文件时，分配内存，同步磁盘文件内存。

其本质是虚拟地址映射到 page cached, page cached 再跟文件系统对应。

这里的 page cached 是可以回收的。

4.file-backed 的页面和匿名页

在一个 elf 文件中，代码段的本质，就是对应 page cached；

真正执行到的代码，才会从磁盘读入内存，并且还可能被踢走，下次再执行，可能需要重新从磁盘读取。

Reclaim 可回收的
有文件背景的页面，叫 file-back page, 可回收
** 匿名页：anon，不可回收，常驻内存；

pmap pid

Anon: stack、heap、CoW pages
File-backed：代码段，映射文件，可回收。

5.swap 以及 zRAM

案例，当同时运行 word 和 qq，word 需要 400M 匿名页，qq 需要 300M 匿名页，而物理内存只有 512M，如何运行呢，此时伪造一个可 swap 的文件，供 anon 匿名页交换。

在内核配置 CONFIG_SWAP，支持匿名页 swap，不配置，普通文件 swap 依然支持；

SWAP 分区，对应 windows 的虚拟内存文件 pagefile.system。

6. 页面回收和 LRU

局部性原理：最近活跃的就是将来活跃的，最近不活跃的，以后也不活跃。

包括时间局部性，空间局部性。

LRU：Least Recently Used 最近最少使用，是一种常用的页面置换算法，

真实统计过程，无关进程，只统计页面的活跃度；

案例，开启浏览器 chrome；长期不使用，运行 oom.c 消耗掉系统所有内存，再去第一次打开网页时，速度会很慢，因为需要重新加载被踢出去的不活跃页面。

**sudo swapoff –a**

**echo 1 > /proc/sys/vm/overcommit_memory**

**cat /proc/pid/smps >1**

**./oom.out**

**cat /proc/pid/smaps >2**

**meld 1 2**

可见命中的部分 page cached，被 LRU 踢走。

CPU>>mm>>io

嵌入式设备，一般不用 swap，不使能 swap，因为：

1. 嵌入式磁盘速度很慢；

2.FLASH 读写寿命有限；

zRAM

在物理内存划分一部分，作为“swap”分区，用来做页面回收置换，利用强大 CPU 算力换取更大内存空间；

内核使能 swap

echo $((48*1024*1024)) > /sys/block/zram0/disksize

打开 swap 分区：

swapon –p 10 /dev/zram0

cat /proc/swaps

swapoff –a 不能关掉文件背景页面。

不带 pagecached 的 IO，direct IO。在用户态根据业务特点做 cached.

类似于 CPU 跳过 cache，直接访问 mem;