性能评估-MEM

一、内部存储管理

存储器是计算机操作系统的重要组成部分，用于存储包括程序和数据在内的各种信息。

1、程序的链接和装入

 在多到程序环境中，要使程序运行，首先必须为他创建进程，而创建进程就必须先将程序和数据装入内存。能装入内存中的程序才称为可执行程序，由用户编写的程序，要经过以下步骤，才能转变为可执行程序：首先由编译程序把用户程序编译成若干个目标模块，然后由链接程序将所有目标模块和他们需要的库函数链接在一起，形成一个完成的可装入模块。可装入模块可以通过装入程序装入内存中运行。

2.逻辑地址、物理地址和虚拟地址

逻辑地址：用户程序经过编译、链接后得到的可装入程序(可装入程序：是一个二进制文件)。由于无法预知程序装入内存时的具体位置，因此不可能在程序中直接使用内存地址，只能规定程序的起始地址都是0，而程序指令和数据的地址都是根据相对0起始地址进行计算的。所以装入程序中的地址都是逻辑地址，一个程序的逻辑地址集合即为逻辑地址空间

逻辑地址空间：如何确定逻辑地址空间呢？我们知道操作系统分为32位和64位的。这样的区分就在于逻辑地址长度的不同。32位操作系统表示逻辑地址长度为32bit的二进制。64位操作系统表示逻辑地址长度是64bit位的二进制。例如：32位操作系统，逻辑地址就可以从0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 到1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 那么一共多少个呢？一共2^32（即4G）个。所以我们常说32位操作系统逻辑地址空间为4G的字节。此时每个字节使用了32位来表示。

物理地址：内存中实际存在的存储单元的地址。整个内存空间又叫做物理地址空间

虚拟地址：是在使用的虚拟存储技术时，虚拟空间中的地址。虚拟内存的空间又叫做虚拟地址空间。

3.分区式存储管理（已经弃用）

分区式存储：对内存采用连续分配方式，即根据用户程序的需求为之在内存中分配一段连续的存储空间。包括两种方式：固定分区和动态分区

1）固定分区：将内存分为系统区和用户区。用户区再被分成大小相同（或者大小不同但是固定）的区块。为此，系统建立了一张分区分配表，如下：

分区号	起始地址	长度	占用标志
1	8K	8K	0
2	16K	16K	Job1
3	32K	16K	0
4	48K	64K	0
5	64K	32K	Job2
6	96K	32K	0

固定分区存储管理的主存分配表

缺点：若用户程序太大，则不能装入内存中，若程序太小，又会造成空间的浪费

2）动态分区：用户区根据用户程序的大小进行分区，主存中分区的数目和大小随作业的执行而不断改变。为了方便主存的分配和去配，主存分配表可由两张表格组成，一张 已分配区的情况表，另一张是未分配区的情况表，如下：

分区号	起始地址	长度	标志
1	4K	6K	Job1
4	46K	6K	Job2

（a）已分配区情况表

分区号	起始地址	长度	标志
2	10K	36K	未分配
3	52K	76K	未分配

（b）未分配区情况表

可变分区存储管理的主存分配表

缺点：随着时间的推移，会导致内存中存在很多碎片

4.分页式存储管理

因为分区式存储管理是连续分配存储空间，为了能实现离散性分配内存。引入了分页式存储管理

分页式存储管理：将程序的逻辑地址和内存的物理地址都划分成等大小的区域。这个区域叫做页。然后将程序的逻辑地址离散的装入内存中，为了保证程序的运行逻辑，故而引入了页表，页表中记录了逻辑页和内存页的对应关系。 同时为了获知内存的物理块使用情况，为此系统建立了内存空间使用表。如下：

缺点：如果页面划分太大，会导致空间的浪费，形成过多的碎片；如果页面太小，虽然减少了页面碎片，但是会使页表增大，进而占用更多的空间。

5.分段式存储管理

以前的存储方式都是一维线性。导致代码程序不能实现模块化调用。然而事实上，程序大多采用分段结构，一个程序可以由主程序段、子程序段、数据段和工作区段等组成，每个段有各自的名字和长度、实现不同的功能。若能以段为单位为程序离散分配内存，将满足用户更多需要。为了实现这种功能，系统建立了段表。如下：

 

缺点：可以看出来，分段式存储的确实现了按段分配内存，同时实现了空间分配的离散性，但是同时具有了动态分区存储的特性，会随着时间的推移，空间的碎片会增多。

6.段页式存储管理（普遍使用中）

为了能够综合分页式和分段式存储的优点，所以引进了段页式的存储管理。

将程序按照划分为多个段，然后将段再按照分页式存储管理的方式进行存储。

7.虚拟存储管理

以上讲了那么多种的存储方式，但他们都是一次性装入内存，若程序很大，其要求的内存空间超过当前系统的能够提供的内存空间，将会导致程序装入内存失败，从而导致程序无法运行（简称一次性）。同时，程序装入内存后，就会一直驻留在内存中，知道进程结束（简称：驻留性），为了解决这两个问题，所以引进了虚拟存储技术。

虚拟存储技术主要依附两点：1.将程序部分装入内存，当运行所需要的程序不在内存中时，可以通过调入功能将其装入；2.当内存空间已满，将内存中暂时不执行的进程（或者程序）暂时从内存中调出，然后将需要运行的程序装入内存个中。

为了实现上面两点，系统需具备的条件：

1.）缺页中断机制。若运行所需程序不在内存中，操作系统将会根据缺页中断引号执行响应的缺页中断处理程序，根据页表将对应的页从外存（磁盘）中装入内存。

2）外存交换区。为了从逻辑上扩大内存空间，一般将磁盘空间分为文件区和交换区，交换区中存放的是在内存和磁盘间交换的程序和数据。

3）换入、换出机制。什么页面该换入，什么页面该换出，所以就必须通过页面置换算法来决定。

8.缓存机制

 

二、Mem总结

当内存不足的时候，内核的页面扫描器（page scanner）就开始查找应用不再使用的内存页（不使用的内存页一般都会写回磁盘），以便其他应用和进程可以使用这些内存。如果页面扫扫描器找不到可供其他应用使用的内存页，也没有额外可用的物理内存(一般情况下，系统都会设置一个下限，当当达到这个下限就会调用SWAP)，他就会将最近最少使用的内存页置换到磁盘的SWAP空间上。可用内存越少，内存扫描的次数越多。
 kswapd daemon 用来检查 pages_high 和 pages_low，如果可用内存少于 pages_low，kswapd 就开始扫描并试图释放 32个页面，

并且重复扫描释放的过程直到可用内存大于 pages_high 为止。扫描的时候检查3件事：1）如果页面没有修改，把页放到可用内存列表里；

2）如果页面被文件系统修改，把页面内容写到磁盘上；3）如果页面被修改 了，但不是被文件系统修改的，把页面写到交换空间。

•    pdflush daemon 用来同步文件相关的内存页面，把内存页面及时同步到硬盘上。比如打开一个文件，文件被导入到内存里，

对文件做了修改后并保存后，内核并不马上保存文件到硬 盘，由 pdflush 决定什么时候把相应页面写入硬盘，这由一个内核参数 

vm.dirty_background_ratio 来控制，比如下面的参数显示脏页面（dirty pages）达到所有内存页面10％的时候开始写入硬盘。

三、Mem 评估指标

1、可用内存

vmstat 中的free 或者 free中的free

2、实际使用内存

free中的used，包含了分配的cache和buffer， 这部分cache和buffer有可能并没有使用；

3、swap区域使用大小

（1）如果vmstat swpd的值不为0，或者比较大，比如超过了100m，只要si、so的值长期为0，系统性能还是正常

4、swap in / out

5、cache

6、buffer

5.6 是怎么被区分出来的？分配和使用规则是？cache和buffer到底什么区别？

四、分析实例

上面是一个频繁读写交换区的例子，可以观察到以下几点：  •    物理可用内存 free 基本没什么显著变化，swapd 逐步增加，说明最小可用的内存始 终保持在 256MB X 10％ = 2.56MB 左右，当脏页达到10％的时候（vm.dirty_background_ratio ＝ 10）就开始大量使用 swap；  •    buff 稳步减少说明系统知道内存不够了，kwapd 正在从 buff 那里借用部分内存；  •    kswapd 持续把脏页面写到 swap 交换区（so），并且从 swapd 逐渐增加看出确实如此。 根据上面讲的 kswapd 扫描时检查的三件事，如果页面被修改了，但不是被文件系统修改的，把页面写到 swap， 所以这里 swapd 持续增加。  io中的bi和bo分别是：每秒钟从块设备读入的块数量和每秒钟发送到块设备的块数量。