物理内存和虛拟内存到底有什麼區别？

提到内存，我們會想到經常接觸的三個詞：虛拟内存、物理内存、共享内存。它們分别對應top輸出中的VIRT、RES、SHR三列。

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

（1）内核使用

操作系統啟動時，位于/boot目錄下的壓縮内核文件會被加載到内存中并解壓。這部分内容在系統允許期間都會常駐在内存的起始位置。

（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和加載的内和模塊等内容。所以内核會通過slab分配器動态分配内存。

PS：slab是Linux操作系統的一種内存分配機制。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，将其重新保存在該列表中，而不是直接返回給操作系統，從而避免這些出現内存碎片。slab分配器并不丢棄已分配的對象，而是釋放并把它們保存在内存中。當以後又要請求新的對象時，就可以從内存直接獲取而不用重複初始化。可以在/proc/meminfo中查看當前slab分配器中的内存大小。

（3）進程使用

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

（4）頁緩存page cache

除去在内核和進程使用的部分，物理内存剩下的部分被稱為頁緩存，page cache。因為磁盤io的速度遠遠低于内存的訪問速度，所以為了加快訪問磁盤數據的速度，頁緩存盡可能的保存着從磁盤讀入的數據。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态變化的。當系統内存充足時，頁緩存會一直增大；當系統free内存不足時，這時如果有進程申請内存，操作系統會從page cache中回收内存頁進行分配，如果page cache也已不足，那麼系統會将當期駐留在内存中的數據置換到事先配置在磁盤上的swap空間中，然後空出來的這部分内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空間後(swap out)，該進程使用的内存量下降，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内存，當它需要時，這部分數據又會被換入到内存中(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. 虛拟内存

顧名思義，虛拟内存實際上并不存在，它隻是存在于這套巧妙的内存管理機制中。當一個進程啟動時，内核會給新的進程建立一個虛拟地址空間。這個虛拟地址空間代表了該進程可能使用到的所有内存，當然它是可以動态變化的。虛拟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：該部分隻讀，用于存放加載的代碼。

（2）數據段：用于存放全局變量和靜态變量。

（3）堆：動态内存，當malloc/free申請釋放内存小于某個阈值（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：動态内存，當malloc/free申請釋放内存大于128K時，通過mmap系統調用分配一塊虛拟地址空間。

（5）棧：用于存放局部變量和進程上下文。

看到這裡可能會産生一個疑問：既然都有了物理内存，為什麼還要有虛拟内存呢？這是因為由于成本的限制，物理内存往往無法做的很大，但是進程運行階段所需申請的内存可能遠遠超過物理内存，并且系統不可能隻跑一個進程，會有多個進程一起申請使用内存，如果都直接向物理内存進行申請使用肯定無法滿足。通過引入虛拟内存，每個進程都有自己獨立的虛拟地址空間，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，隻需要在訪問某部分數據時，把這一塊虛拟内存映射到物理内存，其他沒有實際訪問過的虛拟地址空間并不會占用到物理内存，這樣對物理内存的消耗就大大減少了 。

虛拟内存->物理内存的映射機制

系統内核為每個進程都維護了一份從虛拟内存到物理内存的映射表，稱為頁表。頁表根據虛拟地址，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讨）

如下圖所示：

這裡還要提到一個概念，駐留内存，這是指虛拟内存中實際映射到物理内存的那部分，也就是進程實際占用的物理内存大小。所以判斷一個進程使用的内存大小，主要是看占用的物理内存，也就是駐留内存的大小，即RSS。

3. 共享内存

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

注意，進程占用的共享内存也是計算到駐留内存中的。

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