篇一：Linux虚拟存储管理分析
Linux虚拟存储管理分析
摘 要：本文通过解剖Linux操作系统的虚拟存储管理机制，说明了Linux虚拟存储的特点、虚拟存储器的实现方法，并基于Linux Kernel Source 1.0，详细分析有关虚拟存诸管理的主要数据结构之间的关系。
关键字：Linux 操作系统内存管理虚拟存储
Linux操作系统是一种多用户多任务、支持多种平台的开源的类Unix操作系统，其支持多种平台，在服务端可与其它商用类Unix系统媲美，在客户端则向Windows系列发出了强有力的挑战。自Linux诞生以来，发展迅猛，已经受到了全球开源社区和许多商业科技巨头的大力支持以及政府、教育机构、科研单位的重视。本文介绍了Linux虚拟存储技术的特点，并结合操作系统原理和Linux内核源码，通过分析虚拟存储管理所需的主要数据结构及其相互关系，来更深入地了解Linux虚拟存储管理机制。本文所援引的Linux内核源代码版本为1.0。
Linux虚拟存储概述
虚拟存储器
在实存储器的管理模式中，要求作业在运行前全部装入内存，之后就一直驻留在内存中直到运行结束，其中某些程序并没有一直处于运行状态，却长期占用着内存资源，从而降低了内存的利用率，为此，引入了虚拟存储器。
虚拟存储器并不以物理的方式存在，而是从逻辑上对内存容量进行扩充，提供了一个比真实内存空间大得多的逻辑地址空间的逻辑存储器。虚拟存储技术把用户地址空间和实际的存储空间区分开，在程序运行时通过动态重定位的地址映射机制将逻辑地址转换为物理地址。
所谓的“动态重定位”是指在目标程序执行过程中，在CPU访问内存之前，由硬件地址映射机构来完成将要访问的指令或数据的逻辑地址向内存的物理地址的转换。由于这种地址转换是在程序执行期间随着每条指令的数据访问自动连续地进行，所以称为“动态重定向”。
在386保护模式下，Linux可以提供的逻辑地址空间为4GB。Linux的全局描述符表定义了如何分配逻辑地址空间：0GB – 3GB分配为用户空间，用户进程可以直接访问；3GB – 4GB分配为内核空间，用户进程不能访问。 段页式存储管理
Linux中的内存管理技术采用的是段页式虚存技术。它将一个进程中的程序、数据、堆栈分成若干“段”来处理，每段有一个8字节的段描述符，指出该段的起始地址、长度和存取权限等信息，这些段描述符的集合构成段描述符表，通过一个寄存器指出该表的起始位置。为了便于段长的动态变化，每段分为若干页，将需要的内容以页面为单位调入内存的物理块中，暂不执行的页面仍留在外存，以保证比实际内存容量需求更大的进程能够正常使用内存。
Linux的分段机制
Linux的分段机制就是将线性地址空间分段，利用这些段来存储代码和数据，通过对段的保护来提供一种对数据或代码的保护。根据每个段的作用和存储内容的不同，分为三类进程段：代码段、数据段和堆栈段；两类系统段：TSS段（任务状态段）和LDT段（局部描述符表段）。
在保护模式下，逻辑地址空间可达4GB。从逻辑地址到线性地址的转换由分段机制管理。段寄存器CS、DS、ES、SS、FS或GS标识一个段。这些段寄存器作为段选择器，用来选择该段的描述符。
进程使用的是48位的逻辑地址，其中高16位是段选择符，低32位是段内的偏移量。通过段选择符在GDT（全局描述符表）或LDT（局部描述符表）中索引相应的段描述符，以得到该段的基地址，再加上偏移量得到逻辑地址对应的线性地址。然后通过分页地址的转换，将线性地址转换为物理地址，最后通过物理地址访问内存。
如图
1所示，为分段逻辑地址到线性地址的转换图。
图 1 分段逻辑地址映射到线性地址 Linux的分页机制
分页机制是在段机制之后进行的，它进一步将线性地址转换为物理地址。Linux一般使用4K字节大小的页（PAGE_SIZE，include/linux/page.h，通过修改PAGE_SHIFT定义的左移位数来修改页面大小），且每页的起始地址都被4K整除。因此，Linux把4GB的线性地址空间划分为1M个页面，采用了两级表结构。
两级表的第一级表称为页目录，存储在一个4K字节的页中，页目录表共有1K个表项，每个表项为4个字节，线性地址最高的10位（22-31位）用来产生第一级表索引，由该索引得到的表项中的内容定位了二级表中的一个表的地址，即下级页表所在的内存块号。
第二级表称为页表，存储在一个4K字节页中，它包含了1K字节的表项，每个表项包含了一个页的物理地址。二级页表由线性地址的中间10位（12-21位）进行索引，定位页表表项，获得页的物理地址。页物理地址的高20位与线性地址的低12位形成最后的物理地址。
如图2
所示，为两级页表的地址转换图。
图 2 两级页表转换 Linux进程与段页式管理
每当启动一个新的进程，Linux都为其创建一个进程控制块（task_struct， include/linux/sched.h）。在创建过程中，每个进程（根据需要）创建并初始化新页目录，设置页目录基地址寄存器，在GDT中添加进程对应的TSS项和LDT项，创建并初始化该进程的LDT。
Linux采用“按需调页”的原则来分配内存页面，执行进程的页面总会在外存与内存之间不断交换，从而避免页表过多占用存储空间。创建一个进程时页面分配的情况大致是这样的：进程控制块（1页），内存态堆栈（1页），页目录（1页），页表（需要的n页）。在进程以后执行的执行中，再根据需要逐渐分配更多的内存页面。
Linux交换空间
交换空间是在外存中开辟一定的空间来临时存放从内存中调出的页面，其存储区域自然也是按页划分的。Linux采用了块设备和交换文件两种形式来保存换出的页面，但是这两种形式的内部结构是一致的。有时候，为了优化系统性能，会定义不止1个交换空间，因而Linux实现了并行管理多个交换空间，这些交换空间均定义在同一个数据结构中（swap_info_struct[MAX_SWAPFILES]，mm/swap.c，其中MAX_SWAPFILES定义为最大的交换空间数量）。
Linux虚存管理的数据结构模型
Linux虚存管理模型
根据虚拟内存抽象模型，每个进程都可以互不干扰的使用所有虚拟地址。进程的虚拟内存空间被划分为小的虚拟内存区域来使用。每个内存区域是一段具有相同属性的虚拟地址空间。Linux用vm_area_struct（include/linux/mm.h）来描述一个虚拟内存区域。一个进程的所有内存区域组织成一个双向链表。进程用了一个指向vm_area_struct链表的指针，来描述进程虚拟内存空间的一个区域，包括对该区域的起始和终止地址的描述。进程可以通过vm_operation_struct（include/linux/mm.h）对这些区域进行操作。
当加载关于进程虚拟地址空间的页面时，一系列的vm_area_struct将自动生成，每一个vm_area_struct描述进程的一部分，如执行代码、数据等。Linux支持了多数标准的虚拟内存操作，如读取、关闭、共享、缺页等。一旦vm_area_struct结构生成，就可以通过该结构中的指向vm_operation_struct的指针进行虚拟内存操作了。
如图3所示，为虚存管理数据结构之间的关系。
篇二：linux解决虚拟内存不够的问题
??建立虚拟内存设备 第一种正规的方法是『直接再加一硬盘，并且将其中某个分区规 划
为 swap 的 filesystem 』：思路是：用fdisk建立后，再格式化为swap。再将 swap 启动，启动的指令为 『 swapon /dev/hd[a-d][1-16] 』！ 直接 swapoff 就能关掉。 ??建立虚拟内存文件
使用 swap file 的方 式来新增硬盘！
以 dd 指令来建 立 swapfile ；
# dd if=/dev/zero of=/tmp/swap bs=4k count=16382
16382+0 records in
16382+0 records out
# dd 这个指令是用来转换文 件并且 copy 用的；if 指的是要被转换的输入文件格
式 /dev/zero ，of 指的是输出的文件，输出到 /tmp/swap 这个文 件；bs 指的是一个扇区占用几个 kb ；count 指的是要使用多少个 bs 。相乘就是容量。
# mkswap /tmp/swap （格式 化，务必注意书写正确，否则后果很严重） Setting up swapspace version 1, size = 67096576 bytes
# swapon /tmp /swap （启动他）这样就已经将虚拟内存增加64 MB了 ！如果每次都想启动该文件，那么将 swapon /tmp/swap 写 入/etc/rc.d/rc.local 中。 # free （查看下swap）
。。。。中间省略
Swap: 192524 2620 189904
# swapoff /tmp/swap（关掉他）
此外，如果当初建系统的时候，没有完全划分硬盘空间，可以新建个分区，格式化为swap，然后挂载到/tmp/swap目录上，达到扩容目的。
swap工作原理是：当物理内存不够时，则某些在内存当中所占的程序会暂时被 移动
到 swap 中，让物理内存可以被更需要的程序来优先使用。因此，虚拟内存只是缓解作用，
速度肯定没法和物理内存比，优化的最好办法就是买内存。另 外， 系统可以进入『休眠』模式，运作当中的程序状态会被纪录到swap去，以作为『唤醒』主机所用！最后有某些程序在运行时，本来就会利 用 swap 的特性来存放一些数据段，所以swap 是需要建立的！只是不需要太大。
swap 在被建立 时，是有限制的：
??Swap有数量和大小限制，不过不同版本系统限制不一样。
??目前 x86_64 (64位) 最大内存支持到 64GB，
因此swap总量最大也是仅能达 64GB！
篇三：LINUX系统基本的内存管理知识讲解
内存是Linux内核所管理的最重要的资源之一。内存管理系统是操作系统中最为重要的部分，因为系统的物理内存总是少于系统所需要的内存数量。虚拟内存就是为了克服这个矛盾而采用的策略。系统的虚拟内存通过在各个进程之间共享内存而使系统看起来有多于实际内存的内存容量。Linux支持虚拟内存, 就是使用磁盘作为RAM的扩展，使可用内存相应地有效扩大。核心把当前不用的内存块存到硬盘，腾出内存给其他目的。当原来的内容又要使用时，再读回内存。
一、内存使用情况监测
(1)实时监控内存使用情况
在命令行使用Free命令可以监控内存使用情况
代码如下:
#free
total used free shared buffers cached
Mem: 256024 192284 63740 0 10676 101004
-/+ buffers/cache: 80604 175420
Swap: 522072 0 522072
上面给出了一个256兆的RAM和512兆交换空间的系统情况。第三行输出(Mem:)显示物理内存。total列不显示核心使用的物理内存(通常大约1MB)。used列显示被使用的内存总额(第二行不计缓冲)。 free列显示全部没使用的内存。Shared列显示多个进程共享的内存总额。Buffers列显示磁盘缓存的当前大小。第五行(Swap:)对对换空间，显示的信息类似上面。如果这行为全0，那么没使用对换空间。在缺省的状态下，free命令以千字节(也就是1024字节为单位)来显示内存使用情况。可以使用—h参数以字节为单位显示内存使用情况，或者可以使用—m参数以兆字节为单位显示内存使用情况。还可以通过—s参数使用命令来不间断地监视内存使用情况：
#free –b –s2
这个命令将会在终端窗口中连续不断地报告内存的使用情况，每2秒钟更新一次。
(2)组合watch與 free命令用来实时监控内存使用情况：
代码如下:
#watch -n 2 -d free
Every 2.0s: free Fri Jul 6 06:06:12 2007
total used free shared buffers cached
Mem: 233356 218616 14740 0 5560 64784
-/+ buffers/cache: 148272 85084
Swap: 622584 6656 615928
watch命令会每两秒执行 free一次，执行前会清除屏幕，在同样位置显示数据。因为 watch命令不会卷动屏幕，所以适合出长时间的监测内存使用率。可以使用 -n选项，控制执行的频率;也可以利用 -d选项，让命令将每次不同的地方显示出来。Watch命令会一直执行，直到您按下 [Ctrl]-[C] 为止。
二、虚拟内存的概念
(1)Linux虚拟内存实现机制
Linux虚拟内存的实现需要六种机制的支持：地址映射机制、内存分配回收机制、缓存和刷新机制、请求页机制、交换机制、内存共享机制。
首先内存管理程序通过映射机制把用户程序的逻辑地址映射到物理地址，在用户程序运行时如果发现程序中要用的虚地址没有对应的物理内存时，就发出了请求页要求;如果有空闲的内存可供分配，就请求分配内存(于是用到了内存的分配和回收)，并把正在使用的物理页记录在缓存中(使用了缓存机制)。 如果没有足够的内存可供分配，那么就调用交换机制，腾出一部分内存。另外在地址映射中要通过TLB(翻译后援存储器)来寻找物理页;交换机制中也要用到交换缓存，并且把物理页内容交换到交换文件中后也要修改页表来映射文件地址。
(2)虚拟内存容量设定
也许有人告诉你，应该分配2倍于物理内存的虚拟内存，但这是个不固定的规律。如果你的物理保存比较小，可以这样设定。如果你有1G物理内存或更多的话，可以缩小一下虚拟内存。Linux会把大量的内存用做Cache的,但在资源紧张时回收回.。你只要看到swap为0或者很小就可以放心了,因为内存放着不用才是最大的浪费。
三、使甩vmstat命令监视虚拟内存使用情况
vmstat是Virtual Meomory Statistics(虚拟内存统计)的缩写，可对操作系统的虚拟内存、进程、CPU活动进行监视。它是对系统的整体情况进行统计，不足之处是无法对某个进程进行深入分析。通常使用vmstat 5 5(表示在5秒时间内进行5次采样)命令测试。将得到一个数据汇总它可以反映真正的系统情况。
代码如下:
#vmstat 5 5
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- ----cpu----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa
1 0 62792 3460 9116 88092 6 30 189 89 1061 569 17 28 54 2
0 0 62792 3400 9124 88092 0 0 0 14 884 434 4 14 81 0
0 0 62792 3400 9132 88092 0 0 0 14 877 424 4 15 81 0
1 0 62792 3400 9140 88092 0 0 0 14 868 418 6 20 74 0
1 0 62792 3400 9148 88092 0 0 0 15 847 400 9 25 67 0
vmstat命令输出分成六个部分：
(1)进程procs：
r：在运行队列中等待的进程数 。
b：在等待io的进程数 。
(2)内存memoy：
swpd：现时可用的交换内存(单位KB)。
free：空闲的内存(单位KB)。
buff: 缓冲去中的内存数(单位：KB)。
cache：被用来做为高速缓存的内存数(单位：KB)。
(3) swap交换页面
si: 从磁盘交换到内存的交换页数量，单位：KB/秒。
so: 从内存交换到磁盘的交换页数量，单位：KB/秒。
(4) io块设备:
bi: 发送到块设备的块数，单位：块/秒。
bo: 从块设备接收到的块数，单位：块/秒。
(5)system系统：
in: 每秒的中断数，包括时钟中断。
cs: 每秒的环境(上下文)切换次数。
(6)cpu中央处理器：
cs：用户进程使用的时间 。以百分比表示。
sy：系统进程使用的时间。 以百分比表示。
id：中央处理器的空闲时间 。以百分比表示。
如果 r经常大于 4 ，且id经常小于40，表示中央处理器的负荷很重。 如果bi，bo 长期不等于0，表示物理内存容量太小。
四、Linux 服务器的内存泄露和回收内存的方法
1、内存泄漏的定义：
一般我们常说的内存泄漏是指堆内存的泄漏。堆内存是指程序从堆中分配的，大小任意的(内存块的大小可以在程序运行期决定)，使用完后必须显示释放的内存。应用程序一般使用malloc，realloc，new等函数从堆中分配到一块内存，使用完后，程序必须负责相应的调用free或delete释放该内存块，否则，这块内存就不能被再次使用，我们就说这块内存泄漏了。
2、内存泄露的危害
从用户使用程序的角度来看，内存泄漏本身不会产生什么危害，作为一般的用户，根本感觉不到内存泄漏的存在。真正有危害的是内存泄漏的堆积，这会最终消耗尽系统所有的内存。从这个角度来说，一次性内存泄漏并没有什么危害，因为它不会堆积，而隐式内存泄漏危害性则非常大，因为较之于常发性和偶发性内存泄漏它更难被检测到。存在内存泄漏问题的程序除了会占用更多的内存外，还会使程序的性能急剧下降。对于服务器而言，如果出现这种情况，即使系统不崩溃，也会严重影响使用。
3、内存泄露的检测和回收
对于内存溢出之类的麻烦可能大家在编写指针比较多的复杂的程序的时候就会遇到。在
Linux 或者 unix 下，C、C++语言是最使用工具。但是我们的 C++ 程序缺乏相应的手段来检测内存信息，而只能使用 top 指令观察进程的动态内存总额。而且程序退出时，我们无法获知任何内存泄漏信息。
使用kill命令
使用Linux命令回收内存，我们可以使用Ps、Kill两个命令检测内存使用情况和进行回收。在使用超级用户权限时使用命令Ps，它会列出所有正在运行的程序名称，和对应的进程号(PID)。Kill命令的工作原理是：向Linux操作系统的内核送出一个系统操作信号和程序的进程号(PID)。
应用例子：
为了高效率回收内存可以使用命令ps 参数v：
代码如下:
[root@www ~]# ps v
PID TTY STAT TIME MAJFL TRS DRS RSS %MEM COMMAND
2542 tty1 Ss+ 0:00 0 8 1627 428 0.1 /sbin/mingetty tty1
2543 tty2 Ss+ 0:00 0 8 1631 428 0.1 /sbin/mingetty tty2
2547 tty3 Ss+ 0:00 0 8 1631 432 0.1 /sbin/mingetty tty3
2548 tty4 Ss+ 0:00 0 8 1627 428 0.1 /sbin/mingetty tty4
2574 tty5 Ss+ 0:00 0 8 1631 432 0.1 /sbin/mingetty tty5
2587 tty6 Ss+ 0:00 0 8 1627 424 0.1 /sbin/mingetty tty6
2657 tty7 Ss+ 1:18 12 1710 29981 7040 3.0 /usr/bin/Xorg :0 -br -a
2670 pts/2 Ss 0:01 2 682 6213 1496 0.6 -bash
3008 pts/4 Ss 0:00 2 682 6221 1472 0.6 /bin/bash
3029 pts/4 S+ 0:00 2 32 1783 548 0.2 ping 192.168.1.12
3030 pts/2 R+ 0:00 2 73 5134 768 0.3 ps v
然后如果想回收Ping命令的内存的话，使用命令：
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