（学习笔记-内存管理）内存满了会发生什么？

内存分配过程

应用程序通过 malloc 函数申请内存的时候，实际上申请的是虚拟内存，此时并不会分配物理内存。

当应用程序读写了这块虚拟内存，CPU就会去访问这个虚拟内存，这时会发现这个虚拟内存没有映射到物理内存，CPU就会产生缺页中断，进程会从用户态切换到内核态，并将缺页中断交给内核的Page Fault Handler （缺页中断函数）处理。

缺页中断处理函数会看是否有空间的物理内存，如果有，就直接分配物理内存，并建立虚拟内存与物理内存之间的映射关系。

如果没有空闲的物理内存，那么内核就会开始回收内存的工作，回收的方式主要是两种：直接内存回收和后台内存回收。

• 后台内存回收：在物理内存紧张的时候，会唤醒kswapd内核线程来回收内存，这个回收内存的过程是异步的，不会阻塞进程的执行。
• 直接内存回收：如果后台异步回收赶不上进程内存申请的速度，就会开始直接回收，这个回收内存的过程是同步的，会阻塞进程的执行。

如果直接内存回收后，空闲的物理内存仍然无法满足此次物理内存的申请，那么内核就会触发OOM（out of memory）机制

 OOM Killer机制会根据算法选择一个占用物理内存较高的进程，然后将其杀死，以便释放内存资源，如果物理内存依然不足，OOM Killer会继续杀死占用物理内存较高的进程，直到释放足够的内存位置。

申请物理内存的过程如下图：

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哪些内存可以被回收？

系统内存紧张的时候，就会进行回收内存的工作，具体那些内存会被回收呢？

主要有两类内存可以被回收，而且它们回收的方式也不同。

• 文件页：内核缓存的磁盘数据和内核缓存的文件数据都叫做文件页。大部分文件页，都可以直接释放内存，以后有需要时，再从磁盘重新读取就可以了。而那些被应用程序修改过，并且暂时还没写入磁盘的数据（也就是脏页），就得先写入磁盘，然后才能进行内存释放。所以，回收干净页的方式是直接释放内存，回收脏页的方式是先写回磁盘后再释放内存。
• 匿名页：这部分内存没有实际载体，不像文件缓存有硬盘文件这样一个载体，比如堆、栈数据等。这部分内存很可能还要再次被访问，所以不能直接释放内存，它们回收的方式是通过Linux的Swap机制，Swap会把不常访问的内存先写到磁盘中，然后释放掉这些内存，给其他更需要的进程使用。再次访问这些内存时，重新从磁盘读入内存就可以了。

文件页和匿名页的回收都是基于LRU算法，也就是优先回收不经常访问的内存。LRU回收算法实际上维护着active和inactive两个双向链表，其中：

• active_list 活跃内存页链表，这里存放的是最近被访问过的（活跃）的内存页
• inactive_list 不活跃内存链表，这里存放的是很少被访问的（非活跃）的内存页

越靠近链表尾部，就表示内存页越不常访问。这样在回收内存时，系统就可以根据活跃度，优先回收不活跃的内存。

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回收内存带来的性能影响

回收内存有两种方式：

• 一种是后台内存回收，也就是唤醒kswapd内核线程，这种方式是异步回收的，不会阻塞进程
• 一种是直接内存回收，这种方式是同步回收的，会阻塞进程，这样就会造成很长时间的延迟，以及系统的CPU利用率会升高，最终引起系统负荷飙高。

可被回收的内存类型由文件页和匿名页：

• 文件页的回收：对于干净页是直接释放内存，这个操作不会影响性能，而对于脏页会先写回到磁盘再释放内存，这个操作会发生磁盘I/O的，这个操作会影响系统性能。
• 匿名页的回收：如果开启了Swap机制，那么Swap机制会将不常访问的匿名页换出到磁盘中，下次访问时，再从磁盘换入到内存中，这个操作是会影响系统性能的。

可以看出，回收内存的操作基本都会发生磁盘I/O的，如果回收内存的操作很频繁，意味着磁盘I/O次数会很多，这个过程势必会影响系统的性能，整个系统给人的感觉就是很卡。

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如何保护一个进程不被OOM杀掉？

在系统空闲内存不足的情况下，进程申请了一个很大的内存，如果直接回收内存都无法回收出足够大的空间内存，那么就会触发OOM机制，内核就会根据算法选择一个进程杀掉。

进程得分的结果受下面两个方面影响：

• 第一，进程已经使用的物理内存页面数
• 第二，每个进程的OOM校准值oom_score_adj。它是可以通过 /proc/[pid]/oom_score_adj 来配置的。我们可以设置 -1000 ~ 1000之间的任意一个数值，调整进程被 OOM Kill的几率。

函数 oom_badness() 里的最终计算方法是：

// points 代表打分的结果
// process_pages 代表进程已经使用的物理内存页面数
// oom_score_adj 代表 OOM 校准值
// totalpages 代表系统总的可用页面数
points = process_pages + oom_score_adj*totalpages/1000

用[系统总的可用页面数] 乘以 [OOM 校准值 oom_score_adj] 再除以 1000，最后再加上进程已经使用的物理页面数，计算出来的值越大，那么这个进程被 OOM Kill的几率也就越大。

每个进程的oom_score_adj的默认值都是 0 ，所以最终得分跟进程自身消耗的内存有关，消耗的内存越大越容易被杀掉。我们可以通过调整 oom_score_adj 的数值，来修改进程的得分结果：

• 如果不想某个进程被首先杀掉，那就可以调整该进程的oom_score_adj，从而改变这个进程的得分结果，降低该进程被OOM杀死的概率。
• 如果想让某个程序无论如何都不能被杀掉，就可以将oom_score_adj配置为-1000.

我们最好将一些很重要的系统服务的oom_score_adj配置为-1000，比如sshd，因为这些系统服务一旦被杀掉，我们就很难再登录进系统了。

但是不建议将我们自己的业务程序的oom_score_adj配置为-1000，因为业务程序一旦发生了内存泄漏，而它又不能被杀掉，这就会导致随着它的内存开销变大，OOM killer不停地被唤醒，从而把其他进程一个个给杀掉。

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总结

内核在给应用程序分配物理内存的时候，如果空闲物理内存不够，那么就会进行内存回收的工作，主要有两种方式：

• 后台内存回收：物理内存紧张的时候，会唤醒kswapd内核线程来回收内存，这个回收内存的过程是异步的，不会阻塞进程的执行
• 直接内存回收：如果后台异步回收跟不上进程内存申请的速度，就会开始直接回收，这个回收内存的过程是同步的，会阻塞进程的执行。

可被回收的内存类型由文件页和匿名页：

• 文件页的回收：对于干净页式直接释放内存，这个操作不会影响性能，而对于脏页会先写回到磁盘再释放内存，这个操作会发生磁盘I/O的，这个操作会影响系统性能
• 匿名页的回收：如果开启了Swap机制，那么Swap机制会将不常访问的匿名页换出到磁盘中，下次访问时，再从磁盘换入内存中，这个操作会影响性能

文件页和匿名页的回收都是基于LRU算法，也就是优先回收不常访问的内存。回收内存的操作基本都会发生磁盘I/O的，如果回收内存的操作很频繁，意味着磁盘I/O次数会很多，这个过程势必会影响系统的性能。

针对回收内存导致的性能影响，常见的解决方式：

• 设置 /proc/sys/vm/swappiness，调整文件页和匿名页的回收倾向，尽量倾向于回收文件页；
• 设置 /proc/sys/vm/min_free_kbytes，调整 kswapd 内核线程异步回收内存的时机；
• 设置 /proc/sys/vm/zone_reclaim_mode，调整 NUMA 架构下内存回收策略，建议设置为 0，这样在回收本地内存之前，会在其他 Node 寻找空闲内存，从而避免在系统还有很多空闲内存的情况下，因本地 Node 的本地内存不足，发生频繁直接内存回收导致性能下降的问题；

如果在经历完直接内存回收后，空闲的物理内存大小依然不够，那么就会触发OOM机制，OOM killer会根据每个进程的内存占用情况和oom_score_adj 的进行打分，得分最高的进程就会被首先杀掉。

可以通过调整oom_score_adj的值，来降低被 OOM killer杀掉的几率。