物理内存和虚拟内存
物理内存和虚拟内存
概念
物理内存：物理内存（Physical memory）是相对于虚拟内存而言的。物理内存指通过物理内存条而获得的内存空间。
虚拟内存：相对于物理内存，在linux下还有一个虚拟内存的概念，虚拟内存就是为了满足物理内存的不足而提出的策略，它是利用磁盘空间虚拟出的一块逻辑内存，用作虚拟内存的磁盘空间被称为交换空间（Swap Space）
说明
- 作为物理内存的扩展，linux会在物理内存不足时，使用交换分区的虚拟内存，更详细的说，就是内核会将暂时不用的内存块信息写到交换空间，这样以来，物理内存得到了释放，这块内存就可以用于其它目的，当需要用到原始的内容时，这些信息会被重新从交换空间读入物理内存。
- linux的内存管理采取的是分页存取机制，为了保证物理内存能得到充分的利用，内核会在适当的时候将物理内存中不经常使用的数据块自动交换到虚拟内存中，而将经常使用的信息保留到物理内存。
- 系统把物理内存中的一部分空间释放出来，以供当前运行的程序使用。那些被释放的空间可能来自一些很长时间没有什么操作的程序，这些被释放的空间被临时保存到Swap分区中，等到那些程序要运行时，再从Swap分区中恢复保存的数据到内存中。这个swap交换区是从硬盘中预先划分一定的空间,所以使用swap交换区就需要在硬盘和内存间读写，增加IO,影响系统性能。
补充
要深入了解linux内存运行机制，需要知道下面提到的几个方面：
首先，Linux系统会不时的进行页面交换操作，以保持尽可能多的空闲物理内存，即使并没有什么事情需要内存，Linux也会交换出暂时不用的内存页面。这可以避免等待交换所需的时间。
其次，linux进行页面交换是有条件的，不是所有页面在不用时都交换到虚拟内存，linux内核根据”最近最经常使用“算法，仅仅将一些不经常使用的页面文件交换到虚拟内存，有时我们会看到这么一个现象：linux物理内存还有很多，但是交换空间也使用了很多。其实，这并不奇怪，例如，一个占用很大内存的进程运行时，需要耗费很多内存资源，此时就会有一些不常用页面文件被交换到虚拟内存中，但后来这个占用很多内存资源的进程结束并释放了很多内存时，刚才被交换出去的页面文件并不会自动的交换进物理内存，除非有这个必要，那么此刻系统物理内存就会空闲很多，同时交换空间也在被使用，就出现了刚才所说的现象了。关于这点，不用担心什么，只要知道是怎么一回事就可以了。
最后，交换空间的页面在使用时会首先被交换到物理内存，如果此时没有足够的物理内存来容纳这些页面，它们又会被马上交换出去，如此以来，虚拟内存中可能没有足够空间来存储这些交换页面，最终会导致linux出现假死机、服务异常等问题，linux虽然可以在一段时间内自行恢复，但是恢复后的系统已经基本不可用了。
因此，合理规划和设计linux内存的使用，是非常重要的。
交换空间swap的使用
交换空间swap的使用
虽然现在的内存已经变得非常廉价，但是swap仍然有很大的使用价值，合理的规划和使用swap分区，对系统稳定运行至关重要。Linux下可以使用文件系统中的一个常规文件或者一个独立分区作为交换空间使用。同时linux允许使用多个交换分区或者交换文件。
1．创建swap交换空间
创建交换空间所需的交换文件是一个普通的文件，但是，创建交换文件与创建普通文件不同，必须通过dd命令来完成，同时这个文件必须位于本地硬盘上，不能在网络文件系统（NFS）上创建swap交换文件。例如：
[root@localhost ~]# dd if=/dev/zero of=/data/swapfile bs=1024 count=65536
65536+0 records in
65536+0 records out
这样就创建一个有连续空间的交换文件，大小为60M左右，关于dd命令做简单的讲述:
if＝输入文件，或者设备名称。
of＝输出文件或者设备名称。
ibs=bytes 表示一次读入bytes 个字节(即一个块大小为 bytes 个字节)。
obs=bytes 表示一次写bytes 个字节(即一个块大小为 bytes 个字节)。
bs＝bytes，同时设置读写块的大小，以bytes为单位，此参数可代替 ibs 和 obs。
count=blocks 仅拷贝blocks个块。
skip=blocks 表示从输入文件开头跳过 blocks 个块后再开始复制。
seek=blocks表示从输出文件开头跳过 blocks 个块后再开始复制。(通常只有当输出文件是磁盘或磁带时才有效)
这里的输入设备/dev/zero代表一个输出永远为0的设备文件，使用它作输入可以得到全为空的文件。
2．激活和使用swap
首先通过mkswap命令指定作为交换空间的设备或者文件：
[root@localhost ~]#mkswap /data/swapfile
Setting up swapspace version 1, size = 67104 kB
[root@localhost backup]# free
total used free shared buffers cached
Mem: 2066632 1998188 68444 0 26160 1588044
-/+ buffers/cache: 383984 1682648
Swap: 4088500 101036 3987464
从上面输出可知，我们指定了一个67104 kB的交换空间，而此时新建的交换空间还未被使用，下面简单介绍下mkswap命令，mkswap的一般使用格式为：
mkswap [参数] [设备名称或文件][交换区大小]
参数：
-c：建立交换区前，先检查是否有损坏的区块。
-v0：建立旧式交换区，此为预设值。
-v1：建立新式交换区。
交换区大小：指定交换区的大小，单位为1024字节。
设置交换分区后，接着通过swapon命令激活swap：
[root@localhost backup]# free
total used free shared buffers cached
Mem: 2066632 1997668 68964 0 27404 1588880
-/+ buffers/cache: 381384 1685248
Swap: 4154028 100976 4053052
通过free命令可以看出，swap大小已经由4088500k变为4154028k，相差的值是60M左右，刚好等于我们增加的一个交换文件大小，这说明新增的交换分区已经可以使用了，但是如果linux重启，那么新增的swap空间将变得不可用，因此需要在/etc/fstab中添加自动加载设置：
/data/swapfile none swap sw 0 0
如此以来，linux在重启后就可以实现自动加载swap分区了。其实linux在启动过程中会执行“swapon -a”命令，此命令会加载列在/etc/fstab中的所有交换空间。
3．移除swap
通过swapoff即可移除一个交换空间
[root@localhost ~]#/usr/sbin/swapoff /data/swapfile
其实也可以通过“swapoff -a”移除在/etc/fstab中定义的所有交换空间，这里的“swapoff -a”与上面提到的“swapon -a”对应。执行“swapoff -a”后，free命令输出如下：
[root@localhost backup]# free
total used free shared buffers cached
Mem: 2066632 2048724 17908 0 30352 1642748
-/+ buffers/cache: 375624 1691008
Swap: 0 0 0
SWAP 操作
虚拟内存的 SWAP 特性并不总是有益，放任进程不停地将数据在内存与磁盘之间大量交换会极大地占用 CPU，降低系统运行效率，所以有时候我们并不希望使用 swap。
我们可以修改 vm.swappiness=0 来设置内存尽量少使用 swap，或者干脆使用swapoff 命令禁用掉 SWAP。设置vm.swappiness=0 后并不代表禁用swap分区，只是告诉内核，能少用到swap分区就尽量少用到，设置vm.swappiness=100的话，则表示尽量使用swap分区，默认的值是60
修改vm.swappiness：
cat /proc/sys/vm/swappiness
echo 0 > /proc/sys/vm/swappiness
永久设置
/etc/sysctl.conf增加一行 vm.swappiness = 0
操作系统的缓存机制（buffers和cached）
在 Linux 操作系统中，当应用程序需要读取文件中的数据时，操作系统先分配一些内存，将数据从磁盘读入到这些内存中，然后再将数据分发给应用程序；当需要往文件中写数据时，操作系统先分配内存接收用户数据，然后再将数据从内存写到磁盘上。然而，如果有大量数据需要从磁盘读取到内存或者由内存写入磁盘时，系统的读写性能就变得非常低下，因为无论是从磁盘读数据，还是写数据到磁盘，都是一个很消耗时间和资源的过程，在这种情况下，linux引入了buffers和cached机制。
buffers与cached都是内存操作，用来保存系统曾经打开过的文件以及文件属性信息，这样当操作系统需要读取某些文件时，会首先在buffers与cached内存区查找，如果找到，直接读出传送给应用程序，如果没有找到需要数据，才从磁盘读取，这就是操作系统的缓存机制，通过缓存，大大提高了操作系统的性能。但buffers与cached缓冲的内容却是不同的。
buffers是用来缓冲块设备做的，它只记录文件系统的元数据（metadata）以及 tracking in-flight pages，而cached是用来给文件做缓冲。更通俗一点说：buffers主要用来存放目录里面有什么内容，文件的属性以及权限等等。而cached直接用来记忆我们打开过的文件和程序。
为了验证我们的结论是否正确，可以通过vi打开一个非常大的文件，看看cached的变化，然后再次vi这个文件，感觉一下两次打开的速度有何异同，是不是第二次打开的速度明显快于第一次呢？
接着执行下面的命令：
find /* -name *.conf
看看buffers的值是否变化，然后重复执行find命令，看看两次显示速度有何不同。
Linux操作系统的内存运行原理，很大程度上是根据服务器的需求来设计的，例如系统的缓冲机制会把经常使用到的文件和数据缓存在cached中，linux总是在力求缓存更多的数据和信息，这样再次需要这些数据时可以直接从内存中取，而不需要有一个漫长的磁盘操作，这种设计思路提高了系统的整体性能。
Swap配置对性能的影响
- 分配太多的Swap空间会浪费磁盘空间，而Swap空间太少，则系统会发生错误。如果系统的物理内存用光了，系统就会跑得很慢，但仍能运行；如果Swap空间用光了，那么系统就会发生错误。例如，Web服务器能根据不同的请求数量衍生出多个服务进程（或线程），如果Swap空间用完，则服务进程无法启动，通常会出现“application is out of memory”的错误，严重时会造成服务进程的死锁。
- 通常情况下，Swap空间应大于或等于物理内存的大小，最小不应小于64M，通常Swap空间的大小应是物理内存的2-2.5倍。特别是数据库服务器和Web服务器，随着访问量的增加，对Swap空间的要求也会增加，一般来说对于4G 以下的物理内存，配置2倍的swap，4G 以上配置1倍。
- Swap分区的数量对性能也有很大的影响。
因为Swap交换的操作是磁盘IO的操作，如果有多个Swap交换区，Swap空间的分配会以轮流的方式操作于所有的Swap，这样会大大均衡IO的负载，加快Swap交换的速度。如果只有一个交换区，所有的交换操作会使交换区变得很忙，使系统大多数时间处于等待状态，效率很低。用性能监视工具就会发现，此时的CPU并不很忙，而系统却慢。这说明，瓶颈在IO上，依靠提高CPU的速度是解决不了问题的。
一些问题
- 为什么我的内存总是使用了90%？
观察过Linux在执行不同任务时的内核内存使用情况后，Linux 新用户经常会很惊讶于他们无法“释放”出更多的内存，即使退出了大型的应用程序后。为什么Linux 的内存总是90%呢?因为内核会尽可能有效地利用资源。所有进程没有使用到的内存都被用来提高I/O操作的速度。 - 为什么linux物理内存还有很多，但是交换空间也使用了很多？
例如，一个占用很大内存的进程运行时，需要耗费很多内存资源，此时就会有一些不常用页面文件被交换到虚拟内存中，但后来这个占用很多内存资源的进程结束并释放了很多内存时，刚才被交换出去的页面文件并不会自动的交换进物理内存，除非有这个必要，那么此刻系统物理内存就会空闲很多，同时交换空间也在被使用 - 此时的CPU并不很忙，而系统却慢？
因为Swap交换的操作是磁盘IO的操作，交换操作会使交换区变得很忙，使系统大多数时间处于等待状态，效率很低，用性能监视工具就会发现，此时的CPU并不很忙，而系统却慢。这说明，瓶颈在IO上，依靠提高CPU的速度是解决不了问题的。
