内存管理-内存回收

内存满了会有什么处理？什么情况下会触发内存回收？OOM是什么？

1. 有几种内存回收的方式？

1. 后台内存回收
2. 直接内存回收
3. 触发OOM机制

1.1 内存分配过程

1. 当使用malloc分配内存的时候，分配的是虚拟内存；
2. 当访问该内存的时候，通过映射表查找虚拟内存对应的物理内存。此时发现并没有对应的映射表，于是触发缺页中断；
3. 缺页中断处理程序在堆区中查找空闲内存，如果存在，则直接返回物理内存，如果不存在，先进行内存回收，再返回内存；
   • 首先通过后台内存回收的方式回收空闲内存，这个过程是异步的；
   • 当后台内存回收的速度跟不上内存申请的速度时，触发直接内存回收，这个过程是同步的，会阻塞线程；
   • 当直接内存回收也无法满足要求时，会触发OOM机制。

2. 哪些内存可以直接被回收？

1. 文件页
2. 匿名页

2.1 文件页

什么是文件页？

• 文件页是指与磁盘文件存在映射关系的内存页，页面的内存可以直接映射到某个具体的文件位置上。

文件页有哪些？

• 内核缓存的磁盘数据(Buffer)：用于缓存磁盘块设备的数据；
• 内核缓存的文件数据(Cache)：用于缓存文件系统的数据，例如通过read系统调用读取的文件内容；
• 进程代码块：可执行文件的代码部分在内存中的映射；
• 文件映射页：通过mmap系统调用将文件映射到进程的地址空间，例如共享库或用户通过mmap映射的文件；
• 脏页：被应用程序修改过但尚未写入磁盘的文件页，需要先写回磁盘后才能释放内存；

文件页的回收方式：

• 对于干净页：可以直接释放内存，后续需要时再从磁盘重新读取；
• 对于脏页：必须先写回磁盘，然后再释放内存；

2.2 匿名页

匿名页的特点：

• 无文件背景：匿名页不与任何磁盘文件关联，这是它和文件页最主要的区别。匿名页存储的是进程运行时动态生成的数据，例如堆，栈，共享文件等；
• 临时性：数据由进程运行时产生，生命周期与进程绑定，进程退出后匿名页会被释放；
• 依赖Swap机制：由于没有磁盘文件作为后被存储，匿名页的回收需要swap分区或者swap文件实现；

匿名页常见的类型：

• 动态内存分配：通过malloc，calloc等分配的堆内存；
• 进程栈空间：函数调用时的局部变量和函数栈帧；
• 共享内存：进程间通讯的共享内存区域；
• 写时复制：使用fork()产生的子进程内存页；

匿名页的生命流程：

1. 分配：
   • 通过系统调用(mmap/brk)或库函数(malloc)分配虚拟内存；
   • 首次访问时触发缺页中断，内核分配物理内存并建立映射；
2. 使用：
   • 进程通过虚拟内存直接访问匿名页内容；
3. 回收(swap机制)
   • 换出：内存不足时，内核将不活跃的匿名页写入swap分区/文件，释放物理内存；
   • 换入：进程再次访问时，触发缺页中断，从swap中重新加载数据到内存；
4. 销毁：
   • 进程退出时，内核释放所有关联的匿名页和swap空间。

3. 内存回收带来的性能影响

文件页的回收：

• 对于干净页是直接回收的，不会影响性能；
• 对于脏页，需要先写回磁盘再释放内存，这个操作会影响系统性能；

匿名页的回收：

• swap机制会将不常访问的匿名页换出到磁盘，下次访问时再换入到内存，这个操作会影响系统性能；

3.1 怎么避免内存回收带来的性能影响？

1. 调整文件页和匿名页的回收倾向，优先文件页的回收；
   • 可以通过调整 swappiness选项来调整回收倾向；
   • swappiness数值越大，越倾向于使用swap，所以可以将其设置最小即0；
2. 尽早触发kswapd内核线程异步回收内存；
   • 通过增大 min_free_kbytes提前触发kswapd异步回收；

3.2 什么时候需要调整内存回收策略？

通过 sar -B 1观察 pgscand/s和 pgscank/s的比值，若 pgscand/s持续高位，则说明需要调整内存回收策略。

• pgscank/s：由kswapd(后台内存回收线程)每秒扫描的页面数量；
• pgscand/s：应用程序在内存申请过程中直接触发同步扫描的页面数量，属于直接内存回收；
• pgsteal/s：每秒从扫描的页面(pgscank+pgscand)中成功回收的页面数量，反映了回收效率；

3.3 系统卡顿与内存直接回收有什么关系？

当系统内存紧张时，如果kswapd后台回收不及时(pgscank/s较低)，应用程序会频繁触发直接内存回收，直接内存回收是同步操作，会导致进程阻塞，从而引发系统卡顿。

3.4 什么时候触发kswapd内核线程回收内存？

内核定义了三个内存阈值用来衡量当前内存情况：

• pages_min：页最小阈值
• pages_low：页低阈值
• pages_high：页高阈值

当剩余内存低于pages_low但高于pages_min时，触发kswapd内核线程回收内存，直到剩余内存大于pages_high为止。

当剩余内存低于pages_min时，会触发直接内存回收，此时应用程序会阻塞。

3.5 min_free_kbytes设置过大会有什么影响？

pages_min = min_free_kbytes
pages_low = pages_min*5/4
pages_high = pages_min*3/2

pages_min以下的内存属于系统的自留内存，不会给普通进程申请使用。所以 min_free_kbytes设置过大会导致应用进程可用的内存减少，从而可能会频繁的导致OOM的发生。

4. NUMA架构下的内存回收策略

4.1 什么是NUMA架构

NUMA是非一致内存访问架构，是为了解决SMP扩展性问题提出的架构，将多个CPU分组为节点，每个节点拥有本地内存和I/O资源，节点间通过高速互联(QPI)通信。

• 非一致内存访问：CPU访问本地内存速度远快于访问其他节点的内存；
• 模块化设计：每个节点类似于一个小型SMP系统，支持更高的扩展性；

4.2 什么是SMP架构

SMP是一种对称多处理器架构，所有CPU共享同一物理内存，I/O设备和总线，并执行单一操作系统。

• 对称性：所有CPU地位平等，无主从之分，均可访问相同的内存和I/O资源；
• 统一内存访问：所有CPU访问内存的延迟一致；
• 扩展性有限制：随着CPU数量增加，共享总线和内存竞争会成为瓶颈；

4.3 NUMA内存回收策略

有4种模式，通过 /proc/sys/vm/zone_reclaim_mode控制：

• 0(默认值)：当本地内存满了之后，先在其他Node寻找空闲内存，如果没找到再回收本地内存；
• 1：当本地内存满了之后，只回收本地内存，即便其他Node有空闲也不去找；
• 2：只回收本地内存，在回收本地内存的时候，可以将文件页的脏页写回磁盘来回收内存；
• 4：只回收本地内存，在回收本地内存的时候，可以使用swap方式回收内存。

5. 由内存回收导致的性能影响，解决方式有哪些？

1. 设置 /proc/sys/vm/swappiness，调整文件页和匿名页的回收倾向，优先回收文件页；
2. 设置 /proc/sys/vm/min_free_kbytes，调整kswapd内核线程异步回收内存的机制，尽早触发kswapd内核线程异步回收内存；
3. 设置 /proc/sys/vm/zone_reclaim_mode，调整NUMA架构下内存回收策略，选取默认值0，使得在回收本地内存之前，先去其他Node寻找空闲内存；