1. 物理内存

物理内存也称为主存，大多数计算机用的主存都是动态随机访问内存（DRAM）。只有内核才可以直接访问物理内存。
Linux 内核给每个进程都提供了一个独立的虚拟地址空间，并且这个地址空间是连续的。进程可以很方便地访问内存，更确切地说是访问虚拟内存。

2. 虚拟内存

虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间两部分，不同位数的处理器，地址空间范围不同。
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进程在用户态时，只能访问用户空间内存；只有进入内核态后，才可以访问内核空间内存。虽然每个进程的地址空间都包含了内核空间，但这些内核空间，其实关联的都是相同的物理内存。这样，进程切换到内核态后，就可以很方便地访问内核空间内存。

3. 内存映射

将虚拟内存地址映射到物理内存地址。为了完成内存映射，内核为每个进程都维护了一张页表，记录虚拟地址与物理地址的映射关系，如下图所示：
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MMU 并不以字节为单位来管理内存，而是规定了一个内存映射的最小单位，也就是页，通常是 4 KB 大小。这样，每一次内存映射，都需要关联 4 KB 或者 4KB 整数倍的内存空间。

页的大小只有 4 KB ，导致整个页表会变得非常大，仅 32 位系统就需要 100 多万个页表项（4GB/4KB）。

2.1. 多级页表

把内存分成区块来管理，将原来的映射关系改成区块索引和区块内的偏移。由于虚拟内存空间通常只用了很少一部分，那么，多级页表就只保存这些使用中的区块，这样就可以大大地减少页表的项数。
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大页

比普通页更大的内存块，常见的大小有 2MB 和 1GB。大页通常用在使用大量内存的进程上，比如 Oracle、DPDK 等。

4. 虚拟内存空间分布

4.2. 内核空间

最上方的内核空间不用多讲

4.1. 用户空间

用户空间内存，从低到高分别是五种不同的内存段；在这五个内存段中，堆和文件映射段的内存是动态分配的。如32位系统：
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  1. 只读段，包括代码和常量等。
  2. 数据段，包括全局变量等。
  3. 堆，包括动态分配的内存，从低地址开始向上增长。
  4. 文件映射段，包括动态库、共享内存等，从高地址开始向下增长。
  5. 栈，包括局部变量和函数调用的上下文等。栈的大小是固定的，一般是 8 MB。

    5. 内存分配与回收

    5.1 分配

    malloc() 是 C 标准库提供的内存分配函数，对应到系统调用上，有两种实现方式，即 brk() 和 mmap()。

    5.1.1. brk

    对小块内存（小于 128K），C 标准库使用 brk() 来分配，也就是通过移动堆顶的位置来分配内存。这些内存释放后并不会立刻归还系统，而是被缓存起来，这样就可以重复使用。
    brk() 方式的缓存，可以减少缺页异常的发生，提高内存访问效率。不过，由于这些内存没有归还系统，在内存工作繁忙时，频繁的内存分配和释放会造成内存碎片。

    5.1.2. mmap

    而大块内存（大于 128K），则直接使用内存映射 mmap() 来分配，也就是在文件映射段找一块空闲内存分配出去。
    mmap() 方式分配的内存，会在释放时直接归还系统，所以每次 mmap 都会发生缺页异常。在内存工作繁忙时，频繁的内存分配会导致大量的缺页异常，使内核的管理负担增大。这也是 malloc 只对大块内存使用 mmap 的原因。

当这两种调用发生后，其实并没有真正分配内存。这些内存，都只在首次访问时才分配，也就是通过缺页异常进入内核中，再由内核来分配内存。

5.2. 回收

如果只分配而不释放，就会造成内存泄漏，甚至会耗尽系统内存。所以，在应用程序用完内存后，还需要调用 free() 或 unmap() ，来释放这些不用的内存。
内存紧张的三种回收方式：

  • 回收缓存，比如使用 LRU（Least Recently Used）算法，回收最近使用最少的内存页面；
  • 回收不常访问的内存，把不常用的内存通过交换分区直接写到磁盘中；

  • 杀死进程，内存紧张时系统还会通过 OOM（Out of Memory），直接杀掉占用大量内存的进程。

    5.2.1 oom_score

    OOM（Out of Memory），其实是内核的一种保护机制。它监控进程的内存使用情况，并且使用 oom_score 为每个进程的内存使用情况进行评分：

  • 一个进程消耗的内存越大，oom_score 就越大；

  • 一个进程运行占用的 CPU 越多，oom_score 就越小。

可以通过 /proc 文件系统，手动设置进程的 oom_adj ，从而调整进程的 oom_score。
oom_adj 的范围是 [-17, 15]，数值越大，表示进程越容易被 OOM 杀死；数值越小，表示进程越不容易被 OOM 杀死，其中 -17 表示禁止 OOM。
例：把 sshd 进程的 oom_adj 调小为 -16，sshd 进程就不容易被 OOM 杀死。

  1. echo -16 > /proc/$(pidof sshd)/oom_adj

6. 查看内存

6.1. free

# 注意不同版本的free输出可能会有所不同
$ free
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:        8169348      263524     6875352         668     1030472     7611064
Swap:             0           0           0

free 输出的是一个表格，其中的数值都默认以字节为单位。表格总共有两行六列，这两行分别是物理内存 Mem 和交换分区 Swap 的使用情况，而六列中，每列数据的含义分别为：

  • 第一列，total 是总内存大小；
  • 第二列，used 是已使用内存的大小，包含了共享内存；
  • 第三列，free 是未使用内存的大小；
  • 第四列，shared 是共享内存的大小；
  • 第五列，buff/cache 是缓存和缓冲区的大小；
  • 最后一列，available 是新进程可用内存的大小。

    最后一列的可用内存 available 。available 不仅包含未使用内存，还包括了可回收的缓存，所以一般会比未使用内存更大。不过，并不是所有缓存都可以回收，因为有些缓存可能正在使用中。