5 天学习 Linux Kernel 主要原理 | Day 3：内存管理与Swap机制

下面是 Day 3：内存管理与Swap机制 学习内容，包含讲解、示例、练习与 FAQ，方便循序渐进学习。

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Day 3：Linux 内存管理与 Swap 机制

目标：掌握 Linux 内存管理基本原理、Swap 工作机制，并能够排查 OOM（Out of Memory）问题。

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3.1 内存管理概述

Linux 内存管理的核心任务是 高效管理有限的物理内存，同时为用户空间程序提供统一、隔离的虚拟内存空间。

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3.1.1 虚拟地址空间布局

Linux 将 虚拟内存地址空间 分为两部分：

用户空间：0x00000000 - 0xBFFFFFFF   # 应用程序使用
内核空间：0xC0000000 - 0xFFFFFFFF   # 内核保留

32 位系统通常是 3G 用户态 + 1G 内核态 的分布。 在 64 位系统中，用户空间和内核空间分布更大，但原理相同。

示意图：虚拟地址空间布局

+----------------------+ 0xFFFFFFFF
|    内核空间 (Kernel) |
|  内核代码 / 驱动 /   |
|  内核缓存 / 内核栈   |
+----------------------+ 0xC0000000
|                      |
|    用户空间 (User)   |
|  程序代码、堆、栈等   |
|                      |
+----------------------+ 0x00000000

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3.1.2 分页机制与页表 (Page Table)

Linux 使用 分页机制 (Paging) 将虚拟地址映射到物理内存。

• 页（Page） ：内存管理的最小单位，通常为 4KB。
• 页表 (Page Table)：记录虚拟页与物理页的映射关系。

示意图：分页映射

虚拟地址空间
+----------+         +----------+
| Page #1  |  --->   | Frame #7 |
+----------+         +----------+
| Page #2  |  --->   | Frame #2 |
+----------+         +----------+
| Page #3  |  --->   | Frame #5 |
+----------+         +----------+

优势：

1. 提供隔离，每个进程有独立的虚拟空间。
2. 解决物理内存不足问题，支持 Swap。

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3.1.3 伙伴系统 (Buddy System)

Linux 使用 伙伴系统 进行物理内存页的分配。

• 将内存按 2 的幂次方分块（4KB、8KB、16KB...）。
• 当需要分配时，找到最接近的块；释放时，尝试与相邻空闲块合并。

优点：

1. 减少内存碎片。
2. 高效分配和回收。

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3.1.4 SLAB / SLUB 分配器

针对小内存对象（如 task_struct），Linux 引入 SLAB/SLUB 分配器来提高效率。

特性	SLAB	SLUB
结构复杂度	高	简单
适合场景	大型系统	通用系统
默认内核选择	早期内核	新版本默认使用

类比 ： 伙伴系统像 仓库管理整箱货物 ，SLAB/SLUB 则像 便利店拆分小包装，避免浪费。

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3.2 Swap 与 OOM 机制

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3.2.1 什么是 Swap

当物理内存不足时，Linux 会将 不活跃的内存页 移到 磁盘上的 Swap 空间，释放物理内存。

• 优点：防止物理内存不足导致程序崩溃。
• 缺点：Swap 在磁盘上，速度远低于物理内存 → 会明显拖慢性能。

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3.2.2 Swap 触发机制

内核根据 页面回收算法 判断是否触发 Swap。

关键参数：vm.swappiness

• 范围：0 ~ 100

• 含义：倾向于 Swap 的强度。

  • vm.swappiness = 0 → 尽量避免 Swap。
  • vm.swappiness = 100 → 积极使用 Swap。

查看当前值：

cat /proc/sys/vm/swappiness

临时修改：

sudo sysctl -w vm.swappiness=10

永久修改：

echo "vm.swappiness = 10" | sudo tee -a /etc/sysctl.conf

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3.2.3 kswapd 工作流程

• kswapd 是内核中的后台线程，负责回收页面。

• 当内存紧张时，kswapd 会：

  1. 扫描 LRU（最近最少使用）链表。
  2. 将不活跃的页面写入 Swap。
  3. 回收释放出来的物理页。

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3.2.4 OOM（Out of Memory）

如果内存和 Swap 都耗尽，内核会触发 OOM Killer，选择一个进程强制杀死。

影响 OOM 的参数

1. Overcommit 策略 /proc/sys/vm/overcommit_memory

   • 0：启发式策略（默认）
   • 1：允许分配超出物理内存+Swap
   • 2：严格限制分配

2. oom_score /proc/<pid>/oom_score 数值越高，被杀掉的概率越大。

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3.2.5 OOM 日志示例

当 OOM 发生时，dmesg 会输出类似日志：

Out of memory: Kill process 2345 (java) score 920 or sacrifice child
Killed process 2345 (java), UID 1000, total-vm:204800kB, anon-rss:102400kB

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3.3 内存管理工具

工具	用途	示例命令
free	总体内存和 Swap 使用情况	free -m
sar -r	内存趋势监控	sar -r 1 10
smem	进程级内存分布	smem -r
pmap	查看进程内存段	pmap <pid>
vmstat	内存、CPU、IO 综合监控	vmstat 1 5

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Day 3 练习

练习 1：调整 swappiness

1. 查看当前 vm.swappiness 值：

   cat /proc/sys/vm/swappiness

2. 设置为 10，并观察 Swap 使用变化：

   sudo sysctl -w vm.swappiness=10

3. 启动内存压力工具，如 stress，观察 free -m 输出。

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练习 2：模拟 OOM

1. 使用 stress 创建内存压力：

   sudo apt install stress -y
   stress --vm 4 --vm-bytes 512M --timeout 60s

2. 查看 dmesg，分析 OOM 日志。

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练习 3：pmap 分析进程内存布局

1. 查找某个进程 PID：

   ps aux | grep firefox

2. 使用 pmap 查看内存段：

   pmap <pid>

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FAQ

1. Q：Swap 是不是越大越好？ A：不是。Swap 过大只会让系统更慢，通常建议 Swap = 物理内存的 1-2 倍。

2. Q：如何判断 OOM 是谁导致的？ A：通过 dmesg 或 /var/log/messages 中的 OOM Killer 日志，查看被杀掉的进程和 oom_score。

3. Q：swappiness 设置多少合适？ A：桌面系统可设为 10-20；服务器可设为 0-5。

4. Q：Swap 对 SSD 是否有损伤？ A：Swap 会产生大量写入，对 SSD 有一定损耗，但现代 SSD 一般足以承受。

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最终学习目标

完成本日课程后，应该能够：

1. 熟练解释 Linux 内存管理原理。
2. 通过 free、vmstat、pmap 等工具分析内存问题。
3. 调整 Swap 策略，理解 kswapd 和 OOM 的工作机制。
4. 定位和解决常见内存不足问题。

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