淺談Linux內存管理機制
經常遇到一些剛接觸Linux的新手會問內存占用怎么那么多？
在Linux中經常發現空閑內存很少，似乎所有的內存都被系統占用了，表面感覺是內存不夠用了，其實不然。這是Linux內存管理的一個優秀特性，在這方面，區別于Windows的內存管理。主要特點是，無論物理內存有多大，Linux 都將其充份利用，將一些程序調用過的硬盤數據讀入內存，利用內存讀寫的高速特性來提高Linux系統的數據訪問性能。而Windows是只在需要內存時，才為應用程序分配內存，并不能充分利用大容量的內存空間。換句話說，每增加一些物理內存，Linux都將能充分利用起來，發揮了硬件投資帶來的好處，而Windows只將其做為擺設，即使增加8GB甚至更大。
Linux的這一特性，主要是利用空閑的物理內存，劃分出一部份空間，做為cache、buffers ，以此提高數據訪問性能。
頁高速緩存(cache)是Linux內核實現的一種主要磁盤緩存。它主要用來減少對磁盤的I/O操作。具體地講，是通過把磁盤中的數據緩存到物理內存中，把對磁盤的訪問變為對物理 內存的訪問。
磁盤高速緩存的價值在于兩個方面：***，訪問磁盤的速度要遠遠低于訪問內存的速度，因此，從內存訪問數據比從磁盤訪問速度更快。第二，數據一旦被訪問，就很有可能在短期內再次被訪問到。
下面來了解下Linux內存管理機制：
一、物理內存和虛擬內存
我們知道，直接從物理內存讀寫數據要比從硬盤讀寫數據要快的多，因此，我們希望所有數據的讀取和寫入都在內存完成，而內存是有限的，這樣就引出了物理內存與虛擬內存的概念。
物理內存就是系統硬件提供的內存大小，是真正的內存，相對于物理內存，在Linux下還有一個虛擬內存的概念，虛擬內存就是為了滿足物理內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存，用作虛擬內存的磁盤空間被稱為交換空間（Swap Space）。
作為物理內存的擴展，Linux會在物理內存不足時，使用交換分區的虛擬內存，更詳細的說，就是內核會將暫時不用的內存塊信息寫到交換空間，這樣以來，物理內存得到了釋放，這塊內存就可以用于其它目的，當需要用到原始的內容時，這些信息會被重新從交換空間讀入物理內存。
Linux的內存管理采取的是分頁存取機制，為了保證物理內存能得到充分的利用，內核會在適當的時候將物理內存中不經常使用的數據塊自動交換到虛擬內存中，而將經常使用的信息保留到物理內存。
要深入了解Linux內存運行機制，需要知道下面提到的幾個方面：
- Linux系統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存，即使并沒有什么事情需要內存，Linux也會交換出暫時不用的內存頁面。這可以避免等待交換所需的時間。
- 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存，Linux內核根據”最近最經常使用“算法，僅僅將一些不經常使用的頁面文件交換到虛擬內存，有時我們會看到這么一個現象：Linux物理內存還有很多，但是交換空間也使用了很多。其實，這并不奇怪，例如，一個占用很大內存的進程運行時，需要耗費很多內存資源，此時就會有一些不常用頁面文件被交換到虛擬內存中，但后來這個占用很多內存資源的進程結束并釋放了很多內存時，剛才被交換出去的頁面文件并不會自動的交換進物理內存，除非有這個必要，那么此刻系統物理內存就會空閑很多，同時交換空間也在被使用，就出現了剛才所說的現象了。關于這點，不用擔心什么，只要知道是怎么一回事就可以了。
- 交換空間的頁面在使用時會首先被交換到物理內存，如果此時沒有足夠的物理內存來容納這些頁面，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出現假死機、服務異常等問題，Linux雖然可以在一段時間內自行恢復，但是恢復后的系統已經基本不可用了。
因此，合理規劃和設計Linux內存的使用，是非常重要的.
二、內存的監控
作為一名Linux系統管理員，監控內存的使用狀態是非常重要的，通過監控有助于了解內存的使用狀態，比如內存占用是否正常，內存是否緊缺等等，監控內存最常使用的命令有free、top等，下面是某個系統free的輸出：
- [root@linuxeye ~]# free
- total used free shared buffers cached
- Mem: 3894036 3473544 420492 0 72972 1332348
- -/+ buffers/cache: 2068224 1825812
- Swap: 4095992 906036 3189956
每個選項的含義：
***行：
total：物理內存的總大小
used：已經使用的物理內存大小
free：空閑的物理內存大小
shared：多個進程共享的內存大小
buffers/cached：磁盤緩存的大小
第二行Mem：代表物理內存使用情況
第三行(-/+ buffers/cached)：代表磁盤緩存使用狀態
第四行：Swap表示交換空間內存使用狀態
free命令輸出的內存狀態，可以通過兩個角度來查看：一個是從內核的角度來看，一個是從應用層的角度來看的。
從內核的角度來查看內存的狀態
就是內核目前可以直接分配到，不需要額外的操作，即為上面free命令輸出中第二行Mem項的值，可以看出，此系統物理內存有3894036K，空閑的內存只有420492K，也就是40M多一點，我們來做一個這樣的計算：
3894036 – 3473544 = 420492
其實就是總的物理內存減去已經使用的物理內存得到的就是空閑的物理內存大小，注意這里的可用內存值420492并不包含處于buffers和cached狀態的內存大小。
如果你認為這個系統空閑內存太小，那你就錯了，實際上，內核完全控制著內存的使用情況，Linux會在需要內存的時候，或在系統運行逐步推進時，將buffers和cached狀態的內存變為free狀態的內存，以供系統使用。
從應用層的角度來看系統內存的使用狀態
也就是Linux上運行的應用程序可以使用的內存大小，即free命令第三行 -/+ buffers/cached 的輸出，可以看到，此系統已經使用的內存才2068224K，而空閑的內存達到1825812K，繼續做這樣一個計算：
420492＋（72972＋1332348）＝1825812
通過這個等式可知，應用程序可用的物理內存值是Mem項的free值加上buffers和cached值之和，也就是說，這個free值是包括buffers和cached項大小的，對于應用程序來說，buffers/cached占有的內存是可用的，因為buffers/cached是為了提高文件讀取的性能，當應用程序需要用到內存的時候，buffers/cached會很快地被回收，以供應用程序使用。
buffers與cached的異同
在Linux 操作系統中，當應用程序需要讀取文件中的數據時，操作系統先分配一些內存，將數據從磁盤讀入到這些內存中，然后再將數據分發給應用程序；當需要往文件中寫數據時，操作系統先分配內存接收用戶數據，然后再將數據從內存寫到磁盤上。然而，如果有大量數據需要從磁盤讀取到內存或者由內存寫入磁盤時，系統的讀寫性能就變得非常低下，因為無論是從磁盤讀數據，還是寫數據到磁盤，都是一個很消耗時間和資源的過程，在這種情況下，Linux引入了buffers和cached機制。
buffers與cached都是內存操作，用來保存系統曾經打開過的文件以及文件屬性信息，這樣當操作系統需要讀取某些文件時，會首先在buffers與cached內存區查找，如果找到，直接讀出傳送給應用程序，如果沒有找到需要數據，才從磁盤讀取，這就是操作系統的緩存機制，通過緩存，大大提高了操作系統的性能。但buffers與cached緩沖的內容卻是不同的。
buffers是用來緩沖塊設備做的，它只記錄文件系統的元數據（metadata）以及 tracking in-flight pages，而cached是用來給文件做緩沖。更通俗一點說：buffers主要用來存放目錄里面有什么內容，文件的屬性以及權限等等。而cached直接用來記憶我們打開過的文件和程序。
為了驗證我們的結論是否正確，可以通過vi打開一個非常大的文件，看看cached的變化，然后再次vi這個文件，感覺一下兩次打開的速度有何異同，是不是第二次打開的速度明顯快于***次呢？
接著執行下面的命令：
- find /* -name *.conf
看看buffers的值是否變化，然后重復執行find命令，看看兩次顯示速度有何不同。
Linux操作系統的內存運行原理，很大程度上是根據服務器的需求來設計的，例如系統的緩沖機制會把經常使用到的文件和數據緩存在cached中，linux總是在力求緩存更多的數據和信息，這樣再次需要這些數據時可以直接從內存中取，而不需要有一個漫長的磁盤操作，這種設計思路提高了系統的整體性能。
參考：http://ixdba.blog.51cto.com/2895551/541355
