上篇文章介紹了CPU相關的知識，本章介紹內存相關的知識。
本文的主要內容：
- 操作系統中的內存管理是怎樣的
- 物理內存的性能指標的影響因素
從free說起
以centos7爲例,free命令結果如下：
[root@lh ~]# free -w
total used free shared buffers cache available
Mem: 24473612 482400 23777212 17532 2108 211892 23665672
Swap: 12320764 0 12320764
從結果中，我們可以看出：
total = used + free + buffers + cache
其中
shared：多進程共享內存數
buffers/cache：緩存內存數,物理內存不足時,系統會釋放一部分緩存
free：空餘內存數
available：可用內存數
swap: 交換分區,將不常用的數據置換到磁盤
爲了進一步理解這幾個概念，就從內存的空間模型說起。
操作系統中的內存
內存的空間模型
在內存中運行的每個進程都需要使用到內存，但是不是每個進行都需要每時每刻都使用系統分配的內存空間。
當系統所需內存超過實際的物理內存時，內核會釋放某些進程所"佔用但未使用"的物理內存，把這些資料存儲在磁盤上，並將釋放出來的內存提供給有需要的進程使用。直到下一次調用該進程時，重新分配空閒內存，將磁盤中的數據再次加載到物理內存中。
進程的空間模型展示的是進程所使用的邏輯內存。換句話說，如果你的程序每sleep一段時間後打印一次內存的地址空間，就會發現，進程的地址空間並未改變，但對應的物理內存內存地址可能已經改變很多次了。
虛擬內存管理與周邊系統關係
- 內存管理系統負責文件 Cache 的分配和回收，同時虛擬內存管理系統(VMM)則允許應用程序和文件 Cache 之間通過 memory map的方式交換數據
- 虛擬文件系統VFS負責在應用程序和文件 Cache 之間通過 read/write 等接口交換數據
具體文件系統，如 ext2/ext3、jfs、ntfs 等，負責在文件 Cache和存儲設備之間交換數據
Cache、文件及磁盤間關係
- 文件Cache分爲兩個層面，Page Cache和Buffer Cache，每一個 Page Cache 包含若干 Buffer Cache。
- 內存管理系統和 VFS 只與 Page Cache 交互，內存管理系統負責維護每項 Page Cache 的分配和回收，同時在使用 memory map 方式訪問時負責建立映射；VFS 負責 Page Cache 與用戶空間的數據交換。
- 具體文件系統一般只與 Buffer Cache 交互，它們負責在外圍存儲設備和 Buffer Cache 之間交換數據。
交換分區
爲了滿足物理內存不足而利用磁盤空間虛擬出一塊邏輯內存，用作虛擬內存的空間。
交換機制如下：
- Linux系統會不時的進行頁面交換操作，以保持儘可能多的空閒物理內存，即使並沒有什麼需要內存，Linux也會交換出暫時不用的內存頁面，這樣的可以避免等待交換所需的時間。
- Linux內存管理中，通過調頁paging和交換swapping來完成上述的內存調度。調頁算法是把內存中最近不常使用的頁面換到磁盤中，把活動頁面保留在內存中供進程使用。
- 分頁寫入磁盤的過程爲：page-out，分頁從硬盤重新回到內存的過程被稱爲page-in,內核需要一個分頁的時候，發現此分頁不再內存中，，就會發生page fault。
內存性能指標
內存容量
容量越大,性能越好。但也需要和主板、操作系統等配套。
在Windows中我們可以通過命令行查看出當前系統支持的最大內存是多少：
C:\Users\SOMEONE>wmic memphysical get maxcapacity
MaxCapacity
16777216
命令結果的單位爲KB,因此，此電腦支持的最大內存爲16GB
內存等待時間
內存等待時間，表示系統進入數據存取操作就緒狀態前等待內存響應的時間。
目前業界優化的方式有：
- 多級緩存和預取技術
- 多線程及亂序執行技術
- 集成式內存控制器
- 內存集成到處理器中
內存帶寬
內存帶寬=(傳輸倍率×總線位寬×工作頻率)÷8
內存總線位寬：受內存引腳數量的限制，可將內存集成到處理器中，擺脫限制
內存工作頻率：受芯片發熱和工藝限制
內存傳輸倍率：DDR是SDRAM的2倍
總結
從開發角度看
在性能要求高的情況下編程，我們應該注意：
- 儘量使用內存池，避免頻繁地申請和釋放內存;
- 熱度比較高的內容應緩存在內存中，避免頻繁地從磁盤中讀取。
從測試的角度看
磁盤的性能測試過程中，進程讀取的數據有可能在磁盤,也有可能在內存,導致測試結果時好時壞,所以在測試過程中應該注意：
- 在不要求精確的情況下，儘量讓讀寫的數據大小遠大於內存容量;
- 在要求精確的情況下,應使用特定的工具如iozone、fio等，開啓從磁盤直接讀取的模式進行測試;
- 在進行分佈式系統的性能測試的時候,應該注意分析清楚服務端和客戶端雙方的內存緩存帶來的影響,然後再設置相應的測試方案。
關注麻辣軟硬件，獲取更多有料的軟硬件知識
