Linux总是以Lazy的方式给应用程序分配内存

Linux总是以Lazy的方式给应用程序分配内存，包括堆、栈（函数调用越深，用的栈越多，最终发生page fault才得到栈）、代码段、数据段。那么，这些已经获得到内存的段会一直占用着内存吗？

1.page cache

Linux下读写文件，主要有两种方式：

read/write

调用read读文件，Linux内核会申请一个page cache，然后把文件读到page cache中，再将内核空间的page cache拷贝到用户空间的buf。

调用write写文件，则将用户空间buf拷贝到内核空间page cache。

mmap

mmap可以避免buf从用户空间到内核空间的拷贝过程。

直接把文件映射成一个虚拟地址指针，这个指针指向内核申请的page cache。内核知道page cache与硬盘中文件的对应关系。

使用mmap读写文件

注：读写权限需要对应，否则触发page fault。

编译执行：

mmap看起来是由一个虚拟地址对应一个文件（可以直接用指针访问文件），本质上是把进程的虚拟地址空间映射到DRAM（内核从这片区域申请内存做page cache），而这个page cache对应磁盘中的某个文件，且Linux内核会维护page cache和磁盘中文件的交换关系。详见下图：

page cache可以看作内存针对磁盘的一个缓存，应用程序在写文件时，其实只是将内容写入了page cache，使用sync才能真的写入文件。

ELF可执行程序头部会记录代码段的位置，代码段的本质就将ELF文件中的代码段直接mmap映射到一个虚拟地址，且权限为R+X。

page cache可以极大的提高系统整体性能。如，进程A读一个文件，内核空间会申请page cache与此文件对应，并记录对应关系，进程B再次读同样的文件就会直接命中上一次的page cache，读写速度显著提升。但注意，page cache会根据LRU算法（最近最少使用）进行替换。

演示：page cache对程序执行时间的影响

第一次多出很多硬盘io操作；第二次python的很多环境都在内存中命中了，速度提升显著。用\time -v命令再次对比：

附注：

i.swap：

动词：swapping，内存与磁盘的颠簸行为

名字：swap分区

ii.cache可以通过/proc/sys/vm/drop_caches强行释放，写1释放page cache，2释放dentries和inode，3释放两者。

2.free命令的详细解释

上图中，buffers与cached都是文件系统的缓存，没有本质区别，唯一区别是背景不同：

i.当以文件系统（ext4,xfs等）的形式去访问文件系统中的文件，如mount /dev/sda1 /mnt后，/mnt目录下会有很多文件，访问这类文件所产生的cache就对应free命令显示的cached列。

ii.直接访问/dev/sda1时，如用户程序直接打开open(“dev/sda1…)或执行dd命令，以及文件系统本身去访问裸分区，所产生的cache对应free命令显示的buffers列。

参考下图所示：

演示：读硬盘裸分区导致free命令显示内容变化

linux kernel 3.14版本以后，已经采用新的free命令，如下图：

老版本free中-/+buffers/cache的含义如下图：

新版本free中多出available，即是评估出现在还有多少内存可供应用程序使用。

3.file-backed的页面和匿名页

page cache和CPU内部cache一样，是可以被替换出去的。有文件背景的页面可以swap到磁盘。EG. 启动firefox，跑一个oom的程序，前后对比firefox的smaps文件。可以看出firefox在内存紧张的情况下，代码段、mmap的字体文件等都被替换出去而不驻留内存了。

那么，没有文件背景的匿名页是如何交换回收的呢？是否常住内存？详见下图：

有文件背景的页面和匿名页都需要swap，有文件背景的页面向自己的文件背景中交换，匿名页向swap分区和swapfile中交换。即使编译内核时将CONFIG_SWAP关闭（只是关闭了匿名页的交换），linux内核中kswapd的线程还是会swap有文件背景的页面。

Linux有三个水位：min，low，high。一旦内存达到低水位时，后台自动回收直到回收到高水位。当内存到达min水位时，直接堵住进程进行回收。

匿名页和有文件背景的页面都有可能被回收，/proc/sys/vm/swappiness值比较大时，倾向回收匿名页；swappiness值比较小时倾向回收有文件背景的页面。回收算法皆为LRU。

附注：

数据段比较特殊，在没有写的情况是有文件背景的，但被写后就变为匿名页。

Windows中的虚拟内存就相当于Linux的swapfile。

4.页面回收和LRU

如上图，运行到第4列时，第1页最不活跃。运行到第5列时又把第1页踏了一次，此时第2页变为最不活跃的。运行到第6列时又把第2页踏了一次，此时第3页变为最不活跃的，所以在第7列时，由于要访问一个新的第5页，3就被替换出去。

5.swap以及zRAM

嵌入式系统受flash限制，很少使用swap分区，一般都swapoff。所以嵌入式系统引入zRAM技术。

zRAM直接把一块内存模拟成一个硬盘分区，当作swap分区使用，此分区自带透明压缩功能，当匿名页向zRAM分区写时，Linux内核使CPU自动对匿名页进行压缩。接下来，当应用程序又执行到刚才的匿名页时，由于此页已经被swap到zRAM中，内存中没有命中，页表也没有命中，所以此时再去访问这块内存时再次发生page fault，Linux就从zRAM分区中将匿名页透明的解压出来还到内存中。

zRAM的特点是用内存来做swap分区，透明压（两页匿名页有可能被压缩成一页），透明解（一页解压成两页），这样其实相当于扩大了内存，但会多损耗一些CPU。