物理內存和虛擬內存到底有什么區別？

提到內存，我們會想到經常接觸的三個詞：虛擬內存、物理內存、共享內存。它們分別對應top輸出中的VIRT、RES、SHR三列。

1. 物理內存

系統的物理內存被劃分為許多相同大小的部分，也稱作內存頁。內存頁的大小取決于CPU的架構和操作系統的配置，一般為4KB。物理內存的使用主要分為以下幾方面：

（1）內核使用

操作系統啟動時，位于/boot目錄下的壓縮內核文件會被加載到內存中并解壓。這部分內容在系統允許期間都會常駐在內存的起始位置。

（2）slab分配器

操作系統的運行還需要更多的空間來分配給管理進程、文件描述符、socket和加載的內和模塊等內容。所以內核會通過slab分配器動態分配內存。

PS：slab是Linux操作系統的一種內存分配機制。其工作是針對一些經常分配并釋放的對象，如進程描述符等，這些對象的大小一般比較小，如果直接采用brk系統調用來進行分配和釋放，不僅會造成大量的碎片，而且也會影響性能。而slab分配器是基于對象進行管理的，相同類型的對象歸為一類(如進程描述符就是一類)，每當要申請這樣一個對象，slab分配器就從一個slab列表中分配一個這樣大小的單元出去，而當要釋放時，將其重新保存在該列表中，而不是直接返回給操作系統，從而避免這些出現內存碎片。slab分配器并不丟棄已分配的對象，而是釋放并把它們保存在內存中。當以后又要請求新的對象時，就可以從內存直接獲取而不用重復初始化。可以在/proc/meminfo中查看當前slab分配器中的內存大小。

（3）進程使用

除去內核使用的部分，所有的進程都需要分配物理內存頁給它們的代碼、數據和堆棧。進程消耗的這些物理內存被稱為“駐留內存”，RSS。

（4）頁緩存page cache

除去在內核和進程使用的部分，物理內存剩下的部分被稱為頁緩存，page cache。因為磁盤io的速度遠遠低于內存的訪問速度，所以為了加快訪問磁盤數據的速度，頁緩存盡可能的保存著從磁盤讀入的數據。page cache中還有一部分稱為buffer，它的作用是緩存要寫入到磁盤的數據。

頁緩存的大小是在一直動態變化的。當系統內存充足時，頁緩存會一直增大；當系統free內存不足時，這時如果有進程申請內存，操作系統會從page cache中回收內存頁進行分配，如果page cache也已不足，那么系統會將當期駐留在內存中的數據置換到事先配置在磁盤上的swap空間中，然后空出來的這部分內存就可以用來分配了。這就是swap交換。

PS：出現swap交換時，數據被置換到swap空間后(swap out)，該進程使用的內存量下降，在atop等監控工具中的RGROW列為負值，但這并不表示該進程釋放了內存，當它需要時，這部分數據又會被換入到內存中(swap in)。另外， swap交換往往會帶來磁盤IO的大量消耗，嚴重影響到系統正常的磁盤io。出現大量的swap交換說明系統已經快要不行了，需要重點關注。

2. 虛擬內存

顧名思義，虛擬內存實際上并不存在，它只是存在于這套巧妙的內存管理機制中。當一個進程啟動時，內核會給新的進程建立一個虛擬地址空間。這個虛擬地址空間代表了該進程可能使用到的所有內存，當然它是可以動態變化的。虛擬地址結構示意圖如下，從下往上地址增大，主要包括以下幾個部分：

（1）代碼段：該部分只讀，用于存放加載的代碼。

（2）數據段：用于存放全局變量和靜態變量。

（3）堆：動態內存，當malloc/free申請釋放內存小于某個閾值（一般操作系統設定為128K，可以修改）時，通過brk/sbrk系統調用，控制堆頂指針向高地址偏移（malloc）或者低地址偏移（free）。

（4）文件映射區：動態內存，當malloc/free申請釋放內存大于128K時，通過mmap系統調用分配一塊虛擬地址空間。

（5）棧：用于存放局部變量和進程上下文。

看到這里可能會產生一個疑問：既然都有了物理內存，為什么還要有虛擬內存呢？這是因為由于成本的限制，物理內存往往無法做的很大，但是進程運行階段所需申請的內存可能遠遠超過物理內存，并且系統不可能只跑一個進程，會有多個進程一起申請使用內存，如果都直接向物理內存進行申請使用肯定無法滿足。通過引入虛擬內存，每個進程都有自己獨立的虛擬地址空間，這個空間理論上可以無限大，因為它并不要錢。一個進程同一時刻不可能所有變量數據都會訪問到，只需要在訪問某部分數據時，把這一塊虛擬內存映射到物理內存，其他沒有實際訪問過的虛擬地址空間并不會占用到物理內存，這樣對物理內存的消耗就大大減少了 。

虛擬內存->物理內存的映射機制

系統內核為每個進程都維護了一份從虛擬內存到物理內存的映射表，稱為頁表。頁表根據虛擬地址，查找出鎖映射的物理頁位置和數據在物理頁中的偏移量，便得到了實際需要訪問的物理地址。（具體的多級頁表實現本文不深入探討）

如下圖所示：

這里還要提到一個概念，駐留內存，這是指虛擬內存中實際映射到物理內存的那部分，也就是進程實際占用的物理內存大小。所以判斷一個進程使用的內存大小，主要是看占用的物理內存，也就是駐留內存的大小，即RSS。

3. 共享內存

進程在運行過程中，會加載許多操作系統的動態庫，比如 libc.so、libld.so等。這些庫對于每個進程而言都是公用的，它們在內存中實際只會加載一份，這部分稱為共享內存。如上圖中的A4和B3部分即為共享內存，實際都映射到同一塊物理內存。

注意，進程占用的共享內存也是計算到駐留內存中的。

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總結

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