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一、内存篇

1.1 系统当前可用内存

1.2 进程的内存使用

1.3 进程内存优化

1.4 系统内存优化

1.4.1 守护进程的内存使用

在设备开机之后，你会发现已经有很多进程在运行，这些进程将一直存活，直到设备关机，我们把这类进程称为守护进程。

守护进程对系弘的内存使用影响巨大：

（1）由于守护进程一直存活，所以其所占用的内存将不会被释放。 （2）一个进程即使什么事情都不做，它引用了一些动态库，也会占用大量的物理内存。 （3）由于守护进程的生存周期很长，其哪怕只有一点内存泄漏，也会导致系统的内存耗尽。

进程一旦退出，其所占用的内存存将被 Linux内核收回，所以对那些生存周期很短的进程来讲，即使有些内存泄漏，其对系统内存使用影响并不大。

因些应该尽量减少系统中守护进程的数量，对于那些提供服务的守护进程来讲，尽量做到在进程需要的时候来启动，在不需要的时候退出。

下面就来详细描述如何减少守护进程的数量。

首先为什么会存在守护进程？ 原因主要两点：

1. 系统需要守护进程来侦听某些事件。

   在设计守护进程时，开发人员往往没有区分其中的常驻部分和非常驻部分，
   在侦听到一个事件后，直接启动相应的业务逻辑，而在这些业务逻辑执行完之后，并不会将本已无用的业务逻辑部分释放。
   这样就造成了侦听部分与业务逻辑部分混在一起都作为守护进程，
   而使得守护进程部分逻辑比较复杂，一方面占用了大量的内存，另一方面也增大了内存泄漏的几率。

   因些建议将守护进程明确分为常驻部分和非常驻部分，分别让不同的进程来完成，将常驻内存部分的逻辑尽量简化。

   更进一步，可以考虑将几个守护进程的侦听事件部分合并到一个守护进程，当负责侦听的守护进程收到消息后，再去启动相应的业务逻辑。

   在这一方面，inetd 是最好的例子，其常驻内部部分可以侦听 telnet、ftp等端口，在有用户该问后，又会创建相应的进程为用户提供服务。

2. 有些进程提供服务的响应时间达不到要求，开发人员便将其放在设备开机时启动，所以转变为了守护进程。
   首先需要考虑加快进程的启动速度，从而使服务进程达到按需启动的需求，这个后续分析。
   除了优化加载动态库、使用 Prelink 等方法外，还可以采用一些进程调度的方法来减少守护进程对于内存的影响。

1.4.2 tmpfs 分区

在LInux 中，为了加快对文件的读写，基于内存建立了一个文件系统，称为 ramdisk 或者 tmpfs。

对于该文件系统的访问，都将直接操作物理内存，因此而要比访问Flash 快得多。

在做系统内存优化时，不要忘掉这块内存。

ciellee@sh:~/work/code/simcom_220c_sop_1028_0426$ df  -HFilesystem      Size  Used Avail Use% Mounted onudev            8.4G     0  8.4G   0% /devtmpfs           1.7G   11M  1.7G   1% /run/dev/sda8       706G  520G  150G  78% /tmpfs           8.4G  180M  8.2G   3% /dev/shmtmpfs           5.3M  4.1k  5.3M   1% /run/locktmpfs           8.4G     0  8.4G   0% /sys/fs/cgroup/dev/loop0       99M   99M     0 100% /snap/core/9066

可以看出，tmpfs 文件分区为8.4G。

在对这个文件分区进行读写时，要时刻提醒自已，它是占用物理内存的，在该分区上的文件，不需要的时候应及时删除。

1.4.3 Cache 缓存 和 Buffer 缓冲

前面讲到， 系统中空闲内存 = MemFree + Buffers + Cached。

下面我们来看下 Cache 和 Buffer 分别是什么。

1.4.3.1 Cache 缓存

Cache 也称缓存，是把从Flash 中读取的数据保存起来，

若再次读取该块数据时，就不需要去读取Flash 了，直接从缓存中读取，从而提高读取文件的速度。

Cache 缓存的数据会根据读取频率进行组织，把最频繁读取的内容 放在最容易找到的位置，把不再读的内容不断往后排，直至从中删掉。

在程序执行过程中，发现某些指令不在内存中，便会产生 page fault，而将代码段的数据载入到物理内存。当进程退出后，代码段所占用的内存不会完全丢弃，而是作为Cache 缓存在Linux 系统中。当进程运行时，Cache 的代码指令越多，代码段产生 page fault 的几率越小，程序的执行速度也越快，这便是Cache 存在的理由。

1.4.3.2 Buffer 缓冲

Buffer 也称缓冲，是根据Flash 读写设计的，把分散的写操作集中进行，减小Flash 写的次数，从而提高系统性能。

Cache 和 Buffer 的区别，简单来说，两者都是RAM 中的数据，

Buffer 是缓冲即将写入磁盘的数据， 而 Cache 是缓存从磁盘中读取出来的数据。

在系统内存不足时，Linux 内核会将一部分 Cache 和 Buffer 释放，供进程使用，因此Cache 和Buffer 对于进程的内存使用并没有影响。

可以通过 cat /proc/meminfo 来了解系统中 Cache 和Buffer 的大小：

ciellee@sh:~/work/code/simcom_220c_sop_1028_0426$ cat /proc/meminfo MemTotal:       16281312 kBMemFree:          178828 kBMemAvailable:   13359384 kBBuffers:          426416 kBCached:         13052476 kBSwapCached:            0 kBActive:          2841180 kBInactive:       12108016 kB

1.4.3.3 内存回收

在 LInux 中，有一个内核进程 kswapd ，其专门负责回收内存。

在 kswapd 中，有2 个阈值： pages_high 和 pages_low ，

当空闲内存页的数量低于 pages_low 的时候，kswapd 进程就会扫描内存并且每次释放出 32 个 free pages，直到 free page 的数量到达 pages_high。

（1）kswapd 回收内存有如下原则：

1. 如果物理页面不量 dirty page，就将物理页面回收。

   进程中如下内存可能是非 dirty page页面：
   （1）代码段：其权限是只读属性，不可能被改写，所以其所占的物理内存，都不是dirty page。
   （2）数据段：其权限是可读、可写，所以其所占的物理内存可能是 dirty page，也可能不是。
   （3）堆段：其权限是可读、可写，空容全是通过程序改写的，所以其所占用的物理内存，全部是 dirty page。
   （4）栈段 和 堆段 相同，其所占的物理内存，全部是 dirty page。
   （5）共享内存，其所占的物理内存，全部是 dirty page。

   综上： 这条规则主要面向的是进程的代码段 和 未修改的数据段。

   如果你做过长时间的系统进程使用分析，就会发现，在进程跑了一段时间后，其代码所占的物理内存减少了，这就是代码段内存回收的结果。

2. 如果物理页面已经修改 并且 可以备份回文件系统，就调用 pdflush 将内存中的内容 和文件系统进行同步。同步完成后，就可以将内存释放。

   比如，当一个文件在内存中进行修改，pdflush 负责将其写回磁盘，其主要针对的是下 Buffers。

3. 如果物理页面已经修改但是没有任何磁盘的备份，就将其写入 swap 分区。

   实际上大部分嵌入式设备很少有交换分区，因此这条规则根本不起作用。

kswapd 在回收内存过程中还有两个重要的方法：

一是 LMR （Low on memory reclaiming），另一个是 OMK（Out of Memory Killer）。

当分配内存失败的时候，LMR将会起作用，失败的原因是 kswapd 不能提供足够的空闲内存，这个时候LMR 会每次释放1024 个垃圾页直到内存分配成功。

当LMR 不能快速释放内存的时候，OMK 就开始起作用，OMK 会采用一个选择算法来决定杀死某些进程，选定进程后，就会发送信号 SIGKILL，这就会使内存立即被释放。

（2）OMK 选择进程的标准如下：

1. 进程占用大量的内存。
2. 进程只会损失少量工作。
3. 进程具有低的静态优先级。
4. 进程不属于 root 用户。

1.4.3.4 /proc/sys/vm/优化

可以通过修改 /proc/sys/vm 下面的文件，设置一些参数，来影响 LInux内核的一些内存操作行为。

修改 /proc/ 下文件的方法：

1. # echo 1 > /proc/sys/vm/block_dump

   该文件表示是否打开 Block Debug 模式，用于记录所有的读写及 Dirty Block写回动作。
   缺省设置 ：0，禁用 Block Debug。

2. # echo 10 > /proc/sys/vm/dirty_background_ratio

   该文件表示脏数据到达系统整体内存的百分比，此时触发 pdflush 进程把脏数据写回磁盘。
   缺省设置：10, 10%

3. # echo 3000 > /proc/sys/vm/dirty_expire_centisece

   该文件表示如果脏数据在内存中驻留时间超过该值，pdflush 进程在下一次将把这些数据写回磁盘。
   缺省设置：3000, (1/100)s

4. # echo 40 > /proc/sys/vm/dirty_ratio

   该文件表示如果进程产生的脏数据到达系统整体内存的百分比，此时进程自行把脏数据写回磁盘。
   缺省设置：40, 40%

5. # echo 500 > /proc/sys/vm/dirty_writeback_centisecs

   该文件表示pdflush 进程周期间隔多久把脏数据写回磁盘。
   缺省设置：500, （1/100）s

6. # echo 100 > /proc/sys/vm/vfs_cache_pressure

   该文件表示内核回收用于directory 和 inode cache 内存的倾向，
   缺省 100 表示内核将根据 pagecache 和 swapcache ，把 directory 和 inode cache 保持在一个合理的百分比;
   降低该值于 100，将导致内核倾向于保留 directory 和 inode cache 。
   增加该值超过 100 ，将导致内核倾向于回收 directory 和 inode cache 。
   缺省设置：100

7. # echo 724 > /proc/sys/vm/min_free_kbytes

   该文件表示强制 Linux VM 最低保留多少空闲内存（KB），缺省值：724

8. # cat /proc/sys/vm/nr_pdflush_threads

   该文件表示当前正在运行的 pdflush 进程数量，在I/O 负载高的情况下，内核会自动增加更多的pdflush 进程，缺省值：2（只读）

9. # echo 0 > /proc/sys/vm/overcommit_memory

   该文件指定了内核针对内存分配的策略，其值可以是：0、1、2，缺省值：0
   0：表示内核将检查是否有足够的可用内存供应进使用，如果有足够的可用内存，内存申请允许，否则内存申请失败，并把错误返回给应用进程。
   1：表示内核允许分配所有的物理内存，而不管当前的内存状态如何。
   2：表示内核允许分配超进所有物理内存和交换空间总和的内存。

10. # echo 50 > /proc/sys/vm/overcommit_ratio

    该文件表示，如果 overcommit_memory = 2 ,可以过载内存的百分比，通过以下公式来计算系统整估可用内存：
    系统可分配内存 = 交换空间 + 物理内存 × overcommit_ratio / 100。
    缺省设置：50%

11. # echo 3 > /proc/sys/vm/page-cluster

    该文件表示在写一次到swap 区的时候写入的页面数量，0: 表示1页， 1：表示2页，2表示4页， 缺省3：2^3=8页。

12. # echo 60 > /proc/sys/vm/swapiness

    该文件表示，系统进行交换行为的程序，数值（0～100)越高，越可能发生磁盘交换，缺省60

13. # echo 0 > /proc/sys/vm/legacy_va_layout

    该文件表示是否使用最新的32位共享内存 mmap() 系统调用，Linux 支持的共享内存分配方式包括mmap(), Posix, System VIPC，缺省 0
    0：表示使用最新的32位 mmap() 系统调用
    1：表示使用 2.4 内核提供的系统调用

14. # cat /proc/sys/vm/nr_hugepages

    该文件表示系统保留的 hugetlb 页数。

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