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隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)存管理成為操作系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要任務(wù)。Linux操作系統(tǒng)是一種常見(jiàn)的開(kāi)源操作系統(tǒng)，其中內(nèi)存管理模塊是其內(nèi)核的一個(gè)重要組成部分。對(duì)于任何操作系統(tǒng)而言，內(nèi)存的管理都必須以某種方式去判斷當(dāng)前內(nèi)存是否足夠，是否存在越界的情況。因此，本文將介紹Linux內(nèi)存管理如何判斷內(nèi)存越界和不足的問(wèn)題。
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一.內(nèi)存越界的判斷
內(nèi)存越界是指訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)，程序超出了所操作的內(nèi)存范圍，導(dǎo)致程序執(zhí)行失敗的問(wèn)題。下面我們將介紹在Linux操作系統(tǒng)環(huán)境下，如何判斷內(nèi)存越界的問(wèn)題。
1.數(shù)組越界
在Linux系統(tǒng)中，數(shù)組越界通常是由于訪問(wèn)數(shù)組元素時(shí)超出了數(shù)組邊界而產(chǎn)生的。為了防止數(shù)組越界情況的發(fā)生，Linux內(nèi)核對(duì)訪問(wèn)數(shù)組元素時(shí)進(jìn)行了許多限制。Linux內(nèi)核將在每個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存空間中，分配一段頁(yè)表空間，用于記錄每個(gè)頁(yè)對(duì)應(yīng)的物理地址，而訪問(wèn)被管理的內(nèi)存空間時(shí)，首先要與頁(yè)表匹配。如果請(qǐng)求的內(nèi)存地址在已分配的虛擬地址范圍之外，系統(tǒng)將會(huì)報(bào)告內(nèi)存越界的錯(cuò)誤。
系統(tǒng)中也存在一些工具，如valgrind、gdb等，能夠檢查是否出現(xiàn)了數(shù)組越界的情況。因此，我們通常可以通過(guò)這些工具來(lái)避免這種問(wèn)題的發(fā)生。
2.指針越界
指針越界是指程序訪問(wèn)內(nèi)存地址時(shí)，超出了合法內(nèi)存范圍。這種情況通常是由程序故障或缺陷引起的，由于操作系統(tǒng)無(wú)法判斷用戶(hù)進(jìn)程行為的準(zhǔn)確意圖，因此無(wú)法對(duì)其進(jìn)行限制。指針越界情況的出現(xiàn)對(duì)程序的運(yùn)行會(huì)造成不可預(yù)計(jì)的影響，因此程序員需要對(duì)其進(jìn)行認(rèn)真處理。
目前C/C ++語(yǔ)言中，指針越界的情況是無(wú)法在編譯時(shí)發(fā)現(xiàn)的。我們通常在程序中加入報(bào)錯(cuò)語(yǔ)句，來(lái)發(fā)現(xiàn)指針越界的情況。
二.內(nèi)存不足情況的判斷
除了內(nèi)存越界問(wèn)題外，內(nèi)存不足也是操作系統(tǒng)中經(jīng)常要解決的問(wèn)題之一。Linux系統(tǒng)中，通常有兩種方式來(lái)判斷內(nèi)存是否不足。
1.物理內(nèi)存不足
如果Linux系統(tǒng)中物理內(nèi)存不足，那么內(nèi)存分配的請(qǐng)求將會(huì)失敗。此時(shí)，Linux內(nèi)核將會(huì)進(jìn)行一些操作，比如將一些進(jìn)程置于“睡眠”狀態(tài)，以釋放內(nèi)存。同時(shí)，內(nèi)核還通過(guò)一些機(jī)制來(lái)檢測(cè)物理內(nèi)存是否不足，以便及時(shí)作出響應(yīng)。
2.虛擬內(nèi)存不足
Linux系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)會(huì)為進(jìn)程虛擬地址提供更大的內(nèi)存空間，這種機(jī)制稱(chēng)為虛擬內(nèi)存。當(dāng)應(yīng)用程序需要訪問(wèn)未映射的內(nèi)存時(shí)，通常會(huì)將其映射到物理內(nèi)存空間中。如果虛擬內(nèi)存超出了系統(tǒng)設(shè)置的限制，操作系統(tǒng)將會(huì)認(rèn)為虛擬內(nèi)存不足。在Linux系統(tǒng)中，內(nèi)核會(huì)使用交換空間來(lái)擴(kuò)展虛擬內(nèi)存空間。如果交換空間也不足，那么內(nèi)核就會(huì)產(chǎn)生激烈的活動(dòng)，交換活躍進(jìn)程和數(shù)據(jù)，以滿(mǎn)足應(yīng)用程序的需求。
在Linux系統(tǒng)中，我們可以通過(guò)查看/proc/meminfo文件，來(lái)了解系統(tǒng)中內(nèi)存的使用情況。如果可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中緩沖區(qū)和交換區(qū)的使用量極高，那么說(shuō)明系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了虛擬內(nèi)存不足狀態(tài)。
本文主要介紹了在Linux系統(tǒng)中，如何判斷內(nèi)存越界和不足的問(wèn)題。當(dāng)我們使用程序時(shí)，我們要注意對(duì)數(shù)組的訪問(wèn)，避免訪問(wèn)越界的情況，同時(shí)避免指針越界等內(nèi)存訪問(wèn)錯(cuò)誤。在了解了機(jī)制之后，我們還可以通過(guò)一些指標(biāo)，如/proc/meminfo文件、物理內(nèi)存檢測(cè)等，來(lái)了解系統(tǒng)中內(nèi)存的使用情況，有效防范和解決內(nèi)存管理問(wèn)題。
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在Windows中，
資源管理器
查看內(nèi)存使用情況，如果使用率達(dá)到80%以上，那么運(yùn)行大型程序就會(huì)覺(jué)得系統(tǒng)不順暢，因?yàn)樵趦?nèi)存短缺的情況下使用交換分區(qū)，頻繁的從磁盤(pán)交換頁(yè)面會(huì)大大影響系統(tǒng)性能。而在使用Linux系統(tǒng)時(shí)，我們使用free命令查看Linux系統(tǒng)內(nèi)存使用情況時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)內(nèi)存使用率一直處于較高水平，即使此時(shí)系統(tǒng)沒(méi)有運(yùn)行很多軟件。這是Windows和Linux在內(nèi)存管理方面的區(qū)別。這樣看來(lái)，Linux系統(tǒng)占用了我們的內(nèi)存（Linux占用了我的RAM），但這也是其內(nèi)存管理的特點(diǎn)。
free命令介紹
為了使用自由命令查看我們的陸鍵實(shí)驗(yàn)室文件服務(wù)器內(nèi)存的結(jié)果，-M選項(xiàng)表示MB為單位：
第二行輸出表示系統(tǒng)內(nèi)存的使用。
注：前四個(gè)術(shù)語(yǔ)更好地理解。緩沖區(qū)和緩存無(wú)法找到正確的單詞進(jìn)早租巧行翻譯。它們之間的區(qū)別在于：
A buffer is something that has yet to be “written” to disk.A cache is something that has been “read” from the disk and stored for later use.
即buffer用于存放要輸出到磁盤(pán)的數(shù)據(jù)，而cache是從磁盤(pán)讀出存放到內(nèi)存中待今后使用的數(shù)據(jù)。它們的引入均是為了提供IO的性能。
以上輸出的結(jié)果可能是第三行，為什么要向用戶(hù)顯示呢？?jī)?nèi)存使用減去系統(tǒng)緩沖/緩存的內(nèi)存表示是什么？系統(tǒng)空閑內(nèi)存添加到緩沖區(qū)/緩存的內(nèi)存中的是什么？
內(nèi)存的分類(lèi)
我們將內(nèi)存分為三類(lèi)，對(duì)于用戶(hù)和操作系統(tǒng)的使用有不同的術(shù)語(yǔ)：
上表中something代表的正是free命令中”buffers/cached”的內(nèi)存。由于這個(gè)內(nèi)存實(shí)際上是從操作系統(tǒng)的角度使用的，所以如果用戶(hù)想要使用它，那么它可以被用戶(hù)的程序快速地回收和使用，因此應(yīng)該從用戶(hù)的角度將內(nèi)存劃為空閑。
再次返回free命令輸出的結(jié)果，第三行輸出的結(jié)果應(yīng)該是可以理解的，并且該行上的數(shù)字從用戶(hù)的角度表示系統(tǒng)內(nèi)存的使用。因此，如果使用top或free命令查看系統(tǒng)中還剩下多少內(nèi)存，那么實(shí)際上應(yīng)該將空閑內(nèi)存添加到buffer/cached，即實(shí)際的系統(tǒng)空閑內(nèi)存。
buffers/cached好處
Linux內(nèi)存管理已經(jīng)做了很多精心的設(shè)計(jì)，除了dentry緩存之外（對(duì)于VFS，為了加快文件路徑名到inode的轉(zhuǎn)換），還采用了兩種主要的緩存方法：緩沖緩存和頁(yè)面緩存，目的是提高磁盤(pán)IO的性能。從低速塊設(shè)備讀取數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)在
存儲(chǔ)器
中。即使此時(shí)不再需要數(shù)據(jù)，也可以在下一次
應(yīng)用程序
訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)直接從存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù)，從而繞過(guò)低速塊設(shè)備，從而提高系統(tǒng)的整體性能。
Linux將充分利用免費(fèi)內(nèi)存。在我看來(lái)，如果內(nèi)存是免費(fèi)的，更好緩存更多的數(shù)據(jù)。下次程序再次訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)，速度會(huì)更快。如果程序希望使用內(nèi)存，并且系統(tǒng)中的內(nèi)存不足時(shí)，那么它不會(huì)使用交換分區(qū)，而是快速恢復(fù)部分緩存，把它們留給用戶(hù)程序。
因此，正如您所看到的，buffers/cached實(shí)際上還是有點(diǎn)用處，而真正的缺點(diǎn)可能是用戶(hù)認(rèn)為L(zhǎng)inux消耗內(nèi)存！然而，Linux不會(huì)耗盡您的內(nèi)存，只要您沒(méi)有使用交換分區(qū)，您就應(yīng)該慶幸您的內(nèi)存耗盡了，因?yàn)長(zhǎng)inux會(huì)緩存大量數(shù)據(jù)，也許下次您會(huì)從中受益！
實(shí)驗(yàn)證明
通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了以下結(jié)論。
我們讀了一份大文件，比較兩種閱讀的實(shí)踐：
1.首先，生成一個(gè)大的1G文件：
2.空緩存：
3.讀取此文件并測(cè)試所消耗的時(shí)間：
4.再次讀取文件并測(cè)試所消耗的時(shí)間：
從型粗上面可以看到，之一次讀取這個(gè)1G文件需要大約18秒，第二次讀取只需0.3秒，增加了60倍！那么你覺(jué)得Linux系統(tǒng)還是吃?xún)?nèi)存嗎？
如何判斷l(xiāng)inux服務(wù)器是否需要添加內(nèi)存
其實(shí)啊，Linux的內(nèi)存是很說(shuō)究的。如下命令free是顯示的當(dāng)前內(nèi)存的使用，-m參數(shù)的意思是M字節(jié)來(lái)顯示內(nèi)容。我們來(lái)一起看看。
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