Linux 内存管理机制简介

在Linux中经常发现空闲内存很少，似乎所有的内存都被系统占用了，表面感觉是内存不够用了，其实不然。这是Linux内存管理的一个优秀特性，在这方面，区别于 Windows的内存管理。主要特点是，无论物理内存有多大，Linux 都将其充份利用，将一些程序调用过的硬盘数据读入内存，利用内存读写的高速特性来提高Linux系统的数据访问性能。而Windows 是只在需要内存时，才为应用程序分配内存，并不能充分利用大容量的内存空间。换句话说，每增加一些物理内存，Linux 都将能充分利用起来，发挥了硬件投资带来的好处，而Windows只将其做为摆设，即使增加8GB甚至更大。

Linux 的这一特性，主要是利用空闲的物理内存，划分出一部份空间，做为 cache 和 buffers ，以此提高数据访问性能。

1、什么是 cache ?

页高速缓存(cache)是 Linux内核实现的一种主要磁盘缓存。它主要用来减少对磁盘的I/O操作。具体地讲，是通过把磁盘中的数据缓存到物理内存中，把对磁盘的访问变为对物理内存的访问。

磁盘高速缓存的价值在于两个方面：第一，访问磁盘的速度要远远低于访问内存的速度，因此，从内存访问数据比从磁盘访问速度更快。第二，数据一旦被访问，就很有可能在短期内再次被访问到。

页高速缓存是由内存中的物理页组成的，缓存中每一页都对应着磁盘中的多个块。每当内核开始执行一个页I/O操作时(通常是对普通文件中页大小的块进行磁盘操作)，首先会检查需要的数据是否在高速缓存中，如果在，那么内核就直接使用高速缓存中的数据，从而避免访问磁盘。

举个例子，当使用文本编辑器打开一个源程序文件时，该文件的数据就被调入内存。编辑该文件的过程中，越来越多的数据会相继被调入内存页。最后，当你编译它的时候，内核可以直接使用页高速缓存中的页，而不需要重新从磁盘读取该文件了。因为用户往往会反复读取或操作同一个文件，所以页高速缓存能减少大量的磁盘操作。

2、cache 如何更新?

由于页高速缓存的缓存作用，写操作实际上会被延迟。当页高速缓存中的数据比后台存储的数据更新时，那么该数据就被称做脏数据。在内存中累积起来的脏页最终必须被写回磁盘。在以下两种情况发生时，脏页被写回磁盘：

◆当空闲内存低于一个特定的阈值时，内核必须将脏页写回磁盘，以便释放内存。

◆当脏页在内存中驻留时间超过一个特定的阈值时，内核必须将超时的脏页写回磁盘，以确保脏页不会无限期地驻留在内存中。

在2.6内核中，由一群内核线程—pdflush后台回写例程统一执行两种工作。

首先，pdflush线程在系统中的空闲内存低于一个特定的阈值时，将脏页刷新回磁盘。该后台回写例程的目的在于在可用物理内存过低时，释放脏页以重新获得内存。特定的内存阈值可以通过dirty_background_ratio sysctl系统调用设置。当空闲内存比阈值：dirty_background_ratio还低时，内核便会调用函数wakeup_bdflush()唤醒一个pdflush线程，随后pdflush线程进一步调用函数background_writeout()开始将脏页写回磁盘。函数background_ writeout()需要一个长整型参数，该参数指定试图写回的页面数目。函数background_writeout()会连续地写出数据，直到满足以下两个条件：

◆已经有指定的最小数目的页被写出到磁盘。

◆空闲内存数已经回升，超过了阈值dirty_background_ratio。

上述条件确保了pdflush操作可以减轻系统中内存不足的压力。回写操作不会在达到这两个条件前停止，除非pdflush写回了所有的脏页，没有剩下的脏页可再被写回了。

为了满足第二个目标，pdflush后台例程会被周期性唤醒(和空闲内存是否过低无关)，将那些在内存中驻留时间过长的脏页写出，确保内存中不会有长期存在的脏页。如果系统发生崩溃，由于内存处于混乱之中，所以那些在内存中还没来得及写回磁盘的脏页就会丢失，所以周期性同步页高速缓存和磁盘非常重要。在系统启动时，内核初始化一个定时器，让它周期地唤醒pdflush线程，随后使其运行函数wb_kupdate()。