前言

前面我們我們已經了解了linux是如何進行內存分配的、虛擬內存和物理內存的關系、虛擬內存如何管理，今天我們來學習一下系統內存滿了，會發生什么？以及會帶來什么問題？大致分成這四個內容來進行學習。

• 內存分配的過程
• 哪些內存可以被回收
• 內存回收帶來的問題
• 如何保障一個進程不被kill

內存分配的過程

前面我們已經學習過應用程序通過 malloc 函數申請內存的，需要注意的是，malloc() 分配的是虛擬內存。

如果分配后的虛擬內存沒有被訪問的話，虛擬內存是不會映射到物理內存的，這樣就不會占用物理內存了。

只有在訪問已分配的虛擬地址空間的時候，操作系統通過查找頁表，發現虛擬內存對應的頁沒有在物理內存中，就會觸發缺頁中斷，然后操作系統會建立虛擬內存和物理內存之間的映射關系。

缺頁中斷就是要訪問的頁不在主存，需要操作系統將其調入主存后再進行訪問。在這個時候，被內存映射的文件實際上成了一個分頁交換文件。

如果沒有空閑的物理內存，那么內核就會開始進行回收內存的工作，回收的方式主要是兩種：直接內存回收和后臺內存回收。

• 后臺內存回收（kswapd）：在物理內存緊張的時候，會喚醒 kswapd 內核線程來回收內存，這個回收內存的過程異步的，不會阻塞進程的執行。
• 直接內存回收（direct reclaim）：如果后臺異步回收跟不上進程內存申請的速度，就會開始直接回收，這個回收內存的過程是同步的，會阻塞進程的執行。

如果直接內存回收后，空閑的物理內存仍然無法滿足此次物理內存的申請，那么內核就會放最后的大招了 ——觸發 OOM 機制。

OOM Killer 機制會根據算法選擇一個占用物理內存較高的進程，然后將其殺死，以便釋放內存資源，如果物理內存依然不足，OOM Killer 會繼續殺死占用物理內存較高的進程，直到釋放足夠的內存位置。

物理內存申請過程如下圖：

哪些內存可以被回收

系統內存緊張的時候，就會進行回收內存的工作，那具體哪些內存是可以被回收的呢？

主要有兩類內存可以被回收，而且它們的回收方式也不同。

• 文件頁（File-backed Page）：內核緩存的磁盤數據（Buffer）和內核緩存的文件數據（Cache）都叫作文件頁。大部分文件頁，都可以直接釋放內存，以后有需要時，再從磁盤重新讀取就可以了。而那些被應用程序修改過，并且暫時還沒寫入磁盤的數據（也就是臟頁），就得先寫入磁盤，然后才能進行內存釋放。所以，回收干凈頁的方式是直接釋放內存，回收臟頁的方式是先寫回磁盤后再釋放內存。
• 匿名頁（Anonymous Page）：這部分內存沒有實際載體，不像文件緩存有硬盤文件這樣一個載體，比如堆、棧數據等。這部分內存很可能還要再次被訪問，所以不能直接釋放內存，它們回收的方式是通過 Linux 的 Swap 機制，Swap 會把不常訪問的內存先寫到磁盤中，然后釋放這些內存，給其他更需要的進程使用。再次訪問這些內存時，重新從磁盤讀入內存。

Swap分區在系統的物理內存不夠用的時候，把硬盤內存中的一部分空間釋放出來，以供當前運行的程序使用。那些被釋放的空間可能來自一些很長時間沒有什么操作的程序，這些被釋放的空間被臨時保存到Swap分區中，等到那些程序要運行時，再從Swap分區中恢復保存的數據到內存中。

文件頁和匿名頁的回收都是基于 LRU 算法，也就是優先回收不常訪問的內存。LRU 回收算法，實際上維護著 active 和 inactive 兩個雙向鏈表，其中：

• active_list 活躍內存頁鏈表，這里存放的是最近被訪問過（活躍）的內存頁；
• inactive_list 不活躍內存頁鏈表，這里存放的是很少被訪問（非活躍）的內存頁；

越接近鏈表尾部，就表示內存頁越不常訪問。在回收內存時，系統就可以根據活躍程度，優先回收不活躍的內存。

內存回收帶來的問題

回收內存方式的不同。回收的內存類型的不同會帶來不同的影響，下面我們就來學習一下不同的是否，不同的類型會帶來怎樣的影響。回收內存方式：后臺回收：直接回收

• 一種是后臺內存回收，也就是喚醒 kswapd 內核線程，這種方式是異步回收的，不會阻塞進程。
• 一種是直接內存回收，這種方式是同步回收的，會阻塞進程，這樣就會造成很長時間的延遲，以及系統的 CPU 利用率會升高，最終引起系統負荷飆高。

可被回收的內存類型：文件頁和匿名頁

• 文件頁的回收：對于干凈頁是直接釋放內存，這個操作不會影響性能，而對于臟頁會先寫回到磁盤再釋放內存，這個操作會發生磁盤 I/O 的，這個操作是會影響系統性能的。
• 匿名頁的回收：如果開啟了 Swap 機制，那么 Swap 機制會將不常訪問的匿名頁換出到磁盤中，下次訪問時，再從磁盤換入到內存中，這個操作是會影響系統性能的。

可以看到，回收內存的操作基本都會發生磁盤 I/O 的，如果回收內存的操作很頻繁，意味著磁盤 I/O 次數會很多，整個系統給人的感覺就是很卡。

如何降低內存回收的影響

• 從文件頁和匿名頁的回收操作來看，文件頁的回收操作對系統的影響相比匿名頁的回收操作會少一點，因為文件頁對于干凈頁回收是不會發生磁盤 I/O 的，匿名頁的 Swap 換入換出這兩個操作都會發生磁盤 I/O。
• 盡早觸發 kswapd 內核線程異步回收內存 來避免應用程序進行直接內存回收。

如何保護一個進程不被 OOM 殺掉呢？

在系統空閑內存不足的情況，進程申請了一個很大的內存，如果直接內存回收都無法回收出足夠大的空閑內存，那么就會觸發 OOM 機制，內核就會根據算法選擇一個進程殺掉。

Linux 到底是根據什么標準來選擇被殺的進程呢？這就要提到一個在 Linux 內核里有一個 oom_badness() 函數，它會把系統中可以被殺掉的進程掃描一遍，并對每個進程打分，得分最高的進程就會被首先殺掉。

進程得分的結果受下面這兩個方面影響：

• 第一，進程已經使用的物理內存頁面數。
• 第二，每個進程的 OOM 校準值 oom_score_adj，我們可以在設置 -1000 到 1000 之間的任意一個數值，調整進程被 OOM Kill 的幾率。

函數 oom_badness() 里的最終計算方法是這樣的：

// points 代表打分的結果// process_pages 代表進程已經使用的物理內存頁面數// oom_score_adj 代表 OOM 校準值// totalpages 代表系統總的可用頁面數points = process_pages + oom_score_adj * totalpages / 1000

計算出來的值越大，那么這個進程被 OOM Kill 的幾率也就越大。

每個進程的 oom_score_adj 默認值都為 0，所以最終得分跟進程自身消耗的內存有關，消耗的內存越大越容易被殺掉。我們可以通過調整 oom_score_adj 的數值，來改成進程的得分結果：

• 如果你不想某個進程被首先殺掉，那你可以調整該進程的 oom_score_adj，從而改變這個進程的得分結果，降低該進程被 OOM 殺死的概率。
• 如果你想某個進程無論如何都不能被殺掉，那你可以將 oom_score_adj 配置為 -1000。

我們最好將一些很重要的系統服務的 oom_score_adj 配置為 -1000，比如 sshd，因為這些系統服務一旦被殺掉，我們就很難再登陸進系統了。

不建議將我們自己的業務程序的 oom_score_adj 設置為 -1000，因為業務程序一旦發生了內存泄漏，而它又不能被殺掉，這就會導致隨著它的內存開銷變大，OOM killer 不停地被喚醒，從而把其他進程一個個給殺掉。