操作系统要管理很多种资源，最重要的有两个：

• 计算资源
• 存储资源

这里暂时先将存储资源狭义地理解为内存资源。

之前 文章🔗 文章讨过 Chromium 对于内存的精准管理，不过那是从应用程序的角度，比较宏观。

所以今天这篇文章，打算从更底层的角度出发，作为对比，观察操作系统对于内存的管理有何异同。

以 Linux 为例。不过基本思想大致相同。

1. Linux 内存分类

free 是一个 Linux 上常用的内存查看工具。

$ free -h
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:           15Gi       9.1Gi       4.4Gi       7.0Mi       1.9Gi       6.1Gi
Swap:         4.0Gi       1.3Gi       2.7Gi

每列字段的含义是：

行的含义是：

• Mem，物理内存
• Swap，交换内存，位于磁盘

大部分概念都比较直白。

这里挑两个相对来说不容易理解的展开说说，Swap（交换分区） 和 Cache（缓存）。

Swap 是构建 Linux 虚拟内存的重要部分。

虚拟内存是操作系统对物理内存所做的一层抽象，让程序误以为自己看到的是物理内存，其实不是。

比如，在 C 语言中打印出的指针地址，就是虚拟内存。对物理内存的访问，需要借助操作系统的地址翻译和映射。

虚拟内存主要解决两个问题：安全和效率。

安全指在访问物理内存前，操作系统可以做一些校验，对于越界访问，可以返回 Segmentation Fault 等错误。

效率是对于程序而言，看起来自己独占地拥有整片地址空间，对于操作系统，则可以更加灵活地管理内存。

一个经典的面试题：进程所能操作的内存空间，最大有多大？

其实是可以超过物理内存的。

因为当物理内存不够时，Linux 会把一些暂时不用的内存页移动到硬盘的 Swap 分区。

当 Swap 区的内存又被需要时，会再次换回到物理内存中。

可能会对性能造成一定程度的影响，但对那些物理内存不足，又有很多活跃进程的机器，无疑是一种权宜之计。

Cache 是另一种优化技巧。

free 工具里的 Cache，是用于缓存磁盘文件内容的内存，称为 Page Cache（页缓存）。

对于空闲的物理内存，与其闲置，不如利用起来，毕竟内存的访问速度可比磁盘快得多。

2. Linux 内存优化

Linux 内存优化是一个内涵丰富的研究领域，涉及到的知识和工具繁多。

这里只简单罗列一些基础的优化手段，分三个层面：

• 内核级别
• 系统调优
• 程序优化

2.1 内核级别

Linux 内核有针对内存的默认优化机制：

2.2 系统调优

系统级的调优，通常为管理员准备。几个常见的调整手段：

1. swappiness 调整。可以控制系统使用 swap 的程度，范围 0-100，越低则 swap 使用越少。

   $ sudo sysctl vm.swappiness=10

2. drop_cache 清理缓存。可用来定期清除文件缓存。

   $ echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches

3. 开启 HugePage。对于数据库或高性能计算等对内存要求极高的场景。

   # 查看支持的大页大小
   $ cat /proc/meminfo | grep Huge
   
   # 配置大页数量
   $ echo 512 > /proc/sys/vm/nr_hugepages

4. 内存压缩（zswap / zram）。

   • zswap：将 swap 内容压缩后写入磁盘，提高空间利用效率
   • zram：直接在内存中创建压缩块设备作为 swap，适合低内存设备（如树莓派）

5. cgroup 内存限制与隔离。通过 cgroup 限制每个进程的内存使用，提高管理精细度。

   # 创建 cgroup 并限制内存
   $ echo 512M > /sys/fs/cgroup/memory/mygroup/memory.limit_in_bytes

2.3 程序优化

这一块是普通开发者可以掌控的。

同样分三块：

• 使用第三方内存分配器
• 内存及时回收
• 内存泄漏检测

常见的第三方内存分配器有 tcmalloc 和 jemalloc。具体的选型，依赖 Benchmark 和生产环境的测试结果。

内存及时回收更多是一种使用习惯，及时释放不用的内存、解除 mmap 文件映射，或者借助 malloc_trim() 等技巧。

内存泄露检测工具，常用的有：

• Valgrind

• Asan（Address Sanitizer）

• Massif（内存使用分析）

3. Linux 内存工具

工具主要分两种，监控和分析。

如果想要获得更深刻的洞察，可以考虑采用 eBPF（Extended Berkeley Packet Filter，扩展伯克利数据包过滤器）。

4. 启发

Linux 里的内存优化机制，不仅是工程实践的问题，同样涉及理论研究的进步，比如内存分页、分段、HugePage 等。

这里推荐一本通俗的读物：《Operating Systems: Three Easy Pieces》，虽然是英文版，但是非常好读。

理论指导实践，实践丰富理论，两者结合，效果最佳。学习也一样。

工程上问题的解决通常是很务实的，遵循：

• 遇到了什么问题
• 有什么假设和推论
• 验证
• 找到可行解
• 推广

这与产品开发的思路基本一致。

5. 总结

之前文章，Chromium 与 RAM 的博弈🔗，更多谈及应用维度的内存优化。

这里是从更底层的操作系统层面。

可见，越是底层，作用的范围越大，能优化的手段也更多样。

同时也启示我们，学习要抓重点，抓关键，遵循第一性原理，拨开纷繁复杂的表象，抓住最核心、不变的东西， 就能起到四两拨千斤的效果。

（完）

参考

1. eBPF - Introduction, Tutorials & Community Resources🔗
2. Operating Systems: Three Easy Pieces🔗