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隨著計算機技術(shù)的不斷進步，現(xiàn)代化的操作系統(tǒng)已經(jīng)具備了更高效的資源利用能力。在這其中，內(nèi)存管理是其中一個關(guān)鍵的領(lǐng)域。Linux作為一款開放源代碼、且積極開放開發(fā)者社區(qū)及作為多種技術(shù)的標準化平臺，內(nèi)存管理一直是開發(fā)者們優(yōu)化系統(tǒng)性能以及穩(wěn)定性所著重關(guān)注的地方。
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本文將以Linux內(nèi)存管理為主題探討如何優(yōu)化系統(tǒng)性能。
內(nèi)存與虛擬內(nèi)存
在現(xiàn)代計算機中，內(nèi)存扮演著非常重要的角色，是運行程序和系統(tǒng)所需的臨時存儲介質(zhì)。Linux內(nèi)存管理機制類似于其他大部分操作系統(tǒng)，而其最重要的特性是虛擬內(nèi)存管理。虛擬內(nèi)存允許已分配和非已分配內(nèi)存的程序共享系統(tǒng)內(nèi)存。這使得系統(tǒng)最終能夠高效地利用物理內(nèi)存。此外，虛擬內(nèi)存還允許操作系統(tǒng)把內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)接脖P中，以便釋放更多的物理內(nèi)存。
有效使用內(nèi)存
有效的內(nèi)存管理非常重要，所以Linux內(nèi)核開發(fā)者為我們提供了許多工具和機制來優(yōu)化內(nèi)存管理。最常用的工具是內(nèi)核文檔；通過具體的設(shè)置和參數(shù)調(diào)整使得內(nèi)存管理更加高效。內(nèi)存管理的最基本原則是：更大限度地重用已經(jīng)分配的空間。這將幫助系統(tǒng)獲得更佳的性能和可靠性。當一個應用程序需要內(nèi)存時，它將請求系統(tǒng)給分配一些存儲區(qū)。內(nèi)存管理系統(tǒng)將開始搜索當前系統(tǒng)中是否有尚未分配的內(nèi)存區(qū)域可用于給這個應用程序使用。系統(tǒng)管理器還會檢查緩存中是否有數(shù)據(jù)塊存儲區(qū)，以便快速分配。
內(nèi)存相關(guān)的命令行工具
Linux內(nèi)核提供了一些非常有用的命令行工具，可以讓我們追蹤和監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)存的使用情況。這些工具可以幫助我們了解系統(tǒng)當前的內(nèi)存使用情況，以及出現(xiàn)什么問題時可以幫助我們進行調(diào)試。
free：用于報告當前系統(tǒng)使用的內(nèi)存和交換文件的狀態(tài)。free命令通常用于展示物理內(nèi)存和Swap上當前使用內(nèi)存的信息。
top：top 命令是Linux中最經(jīng)典的命令行工具之一，它會周期性地更新殺死系統(tǒng)狀態(tài)的摘要信息，因此非常有用。
htop：htop 可以被認為是對 top 命令的增強，它提供了比 top 更為人性化的操作方法和更多細節(jié)，如添加顏色和改變顯示優(yōu)先級等。
vmstat：vmstat 程序提供了對系統(tǒng)虛擬內(nèi)存、進程、磁盤 I/O 等的實時監(jiān)控，它還會定期輸出系統(tǒng)執(zhí)行常規(guī)任務(wù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
swapon/swapoff：在Linux系統(tǒng)上開啟和關(guān)閉Swap分區(qū)的命令。
參考內(nèi)容：
內(nèi)存管理
https://www.ibm.com/docs/zh/linux-on-ibm-z?topic=managing-memory
優(yōu)化 Linux 內(nèi)存管理來提高性能
https://www.ibm.com/docs/zh/redbooks-integrator?topic=performance-optimizing-memory-management-improve-performance
內(nèi)存管理
https://www.kernel.org/doc/html/latest/admin-guide/memory.html
結(jié)論
Linux內(nèi)存管理旨在使系統(tǒng)更大限度地利用物理內(nèi)存，從而改善系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。正確使用內(nèi)存和虛擬內(nèi)存管理機制是非常重要的。除了設(shè)置和配置Linux內(nèi)存管理機制之外，利用命令行工具來追蹤和監(jiān)視Linux內(nèi)存的使用情況也是非常有用的。優(yōu)化內(nèi)存管理，您可以在Linux環(huán)境下獲得更好的性能， 進而讓您使用Linux的體驗變得更為順暢和舒適。
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vmstat是Virtual Meomory Statistics（虛擬內(nèi)存統(tǒng)計）的縮寫，可對操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存、進程、CPU活動進行監(jiān)控。他是對系統(tǒng)的整體情況進行統(tǒng)計，不足之處是無法對某個進程進行深入分析。vmstat 工具提供了一種低開銷的系統(tǒng)性能觀察方式。因為 vmstat 本身就是低開銷工具，在非常高負荷的服務(wù)器上，你需要查看并監(jiān)控系統(tǒng)的健康情況,在控制窗口還是能夠使用vmstat 輸出結(jié)果。在學習vmstat命令前，我們先了解一下Linux系統(tǒng)中關(guān)于物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存相關(guān)信息。
物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存區(qū)別：
我們知道，直接從物理內(nèi)存讀寫數(shù)據(jù)要比從硬盤讀寫數(shù)據(jù)要快的多，因此，我們希望所有絕纖滑數(shù)據(jù)的讀取和寫入都在內(nèi)存完成，而內(nèi)存是有限的，這樣就引出了物理內(nèi)存與虛擬內(nèi)存的概念。
物理內(nèi)存就是系統(tǒng)硬件提供的內(nèi)存大小，是真正的內(nèi)存，相對于物理內(nèi)存，在linux下還有一個虛擬內(nèi)存的概念，虛擬內(nèi)存就是為了滿足物理內(nèi)存的不足而提出的策略，它是利用磁盤空間虛擬出的一塊邏輯內(nèi)存，用作虛擬內(nèi)存的磁盤空間被稱為交換空間（Swap Space）。
作為物理內(nèi)存的擴展，linux會在物理內(nèi)存不足時，使用交換分區(qū)的虛擬內(nèi)存，更詳細的說，就是內(nèi)核會將暫時不用的內(nèi)存塊信息寫到交換空間，這樣以來，物理內(nèi)存得到了釋放，這塊內(nèi)存就可以用于其它目的，當需要用到原始的內(nèi)容時，這些信息會被重新從交換空間讀入并臘物理內(nèi)存。
linux的內(nèi)存管理采取的是分頁存取機制，為了保證物理內(nèi)存能得到充分的利用，內(nèi)核會在適當?shù)臅r候?qū)⑽锢韮?nèi)存中不經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)塊自動交換到虛擬內(nèi)存中，而將經(jīng)常使用的信息保留到物理內(nèi)存。
要深入了解linux內(nèi)存運行機制，需要知道下面提到的幾個方面：
首先，Linux系統(tǒng)會不時的進行頁面交換操作，以保持盡可能多的空閑物理內(nèi)存，即使并沒有什么事情需要內(nèi)存，Linux也會交換出暫時不用的內(nèi)存頁面。這可以避免等待交換所需的時間。
其次，linux進行頁面交換是有條件的，不是所有頁面在不用時都交換到虛擬內(nèi)存，linux內(nèi)核根據(jù)”最近最經(jīng)常使用“算法，僅僅將一些不經(jīng)常使用的頁面文件交換到虛擬內(nèi)存，有時我們會看到這么一個現(xiàn)象：linux物理內(nèi)存還有很多，但是交換空間也使用了很多。其實，這并不奇怪，例如，一個占用很大內(nèi)存的進程運行時，需要耗費很多內(nèi)存資源，此時就會有一些不常用頁面文件被交換到虛擬內(nèi)存中，但后來這個占用很多內(nèi)存資源的進程結(jié)束并釋放了很多內(nèi)存時，剛才被交換出去的頁面文件并不會自動的交換進物理內(nèi)存，除非有這個必要，那么此刻系統(tǒng)物理內(nèi)存就會空閑很多，同時交換空間也在被使用，就出現(xiàn)了剛才所說的現(xiàn)象了。關(guān)于這點，不用擔心什么，只要知道是怎么一回事就可以了。
最后，交換空間的頁面在使用時會首先被交換到物理內(nèi)存，如果此時沒有足夠的物理內(nèi)存來容納這些頁面，它們又會被馬上交換出去，如此以來，虛擬內(nèi)存中可能沒有足夠空間來存儲這些交換頁面，最終會導致linux出現(xiàn)假死機、服務(wù)異常等問題，linux雖然可以在一段時間內(nèi)自行恢復，但是恢復后的系統(tǒng)已經(jīng)基本不可用了。
因此，合理規(guī)劃和設(shè)計linux內(nèi)存的使用，是非常重要的。
虛擬內(nèi)存原理：
在系統(tǒng)中運行的每個進程都需要使用到內(nèi)存，但不是每個進程都需要每時每刻使用系統(tǒng)分配的內(nèi)存空間。當系統(tǒng)運行所需內(nèi)存超過實際的物理內(nèi)存，內(nèi)核會釋放某些進程所占用但未使用的部分或所有物理內(nèi)存，將這部分資料存儲在磁盤上直到進程下一次調(diào)用，并將釋放出的內(nèi)存提供給有需要的進程使用。
在Linux內(nèi)存管理中，主要是通過“調(diào)頁Paging”和“交換Swapping”來完成上述的內(nèi)存調(diào)度。調(diào)頁算法是將內(nèi)存中最近不常使用的頁面換到磁盤上，把活動頁面保留在內(nèi)存中供進程使用。交換技術(shù)是將整個進程，而不是部分頁面，全部交換到磁盤上。
分頁(Page)寫入磁盤的過程被稱作Page-Out，分頁(Page)從磁盤重新回到內(nèi)存的過程被稱作Page-In。當內(nèi)核需要一個分頁時，但發(fā)現(xiàn)此分頁不在物理內(nèi)存中(因為已經(jīng)被Page-Out了)，此時就發(fā)生了分頁錯誤（Page Fault）。
當系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)現(xiàn)可運行內(nèi)存變少時，就會通過Page-Out來釋放一部分物理內(nèi)存。經(jīng)管Page-Out不是經(jīng)常豎賣發(fā)生，但是如果Page-out頻繁不斷的發(fā)生，直到當內(nèi)核管理分頁的時間超過運行程式的時間時，系統(tǒng)效能會急劇下降。這時的系統(tǒng)已經(jīng)運行非常慢或進入暫停狀態(tài)，這種狀態(tài)亦被稱作thrashing(顛簸)。
總結(jié)：物理內(nèi)存就是硬件提供的真實的內(nèi)存，比如我們電腦內(nèi)存不夠了，就會加一個內(nèi)存條
虛擬內(nèi)存就是從磁盤上虛擬出來的一塊邏輯內(nèi)存，用做虛擬內(nèi)存的磁盤空間被稱為交換空間（Swap Space
經(jīng)常使用的文件會優(yōu)先放在物理內(nèi)存，不經(jīng)常使用的文件會放到虛擬內(nèi)存里面。
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文章題目：Linux內(nèi)存管理：用好內(nèi)存，提升系統(tǒng)性能(linux內(nèi)存管理)
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