今日问题:系统明明有很多内存,却无法分配出一片大块内存?
这是为什么呢?
这个问题涉及内存管理的一个内容——内存碎片
什么是内存碎片?
内存碎片在Linux很早的时候就已经出现了,了解早期内存碎片产生的历史,有利于我们对它的理解。
假设现在有一块32MB大小的内存,一开始操作系统使用了最小的一块——4MB大小,剩余的内存要留给4个进程使用,如图(a)所示。
进程A使用了操作系统往上的10MB内存,进程B使用了进程A往上的6MB内存,进程C使用了进程B往上的8MB内存,如图(b)所示,:
进程D需要5MB内存,所以剩余的内存不足以装载进程D,这个内存末位就形成了第一个空洞(内存碎片)。假设某个时刻,操作系统需要运行进程D,因为系统中没有足够的内存,所以需要选择一个进程来换出,为进程D腾出足够的空间。假设操作系统选择进程B来换出,这样进程D就装载到了原来进程B的地址空间里,于是产生了第二个空洞,如图(c)所示:
假设操作系统某个时刻需要运行进程B,也需要选择一个进程来换出,假设进程A被换出,那么操作系统中又产生了第三个空洞,如图(d)所示:
随着时间的推移,内存空洞会越来越多,内存的利用率也随之下降,这些内存空洞就是我们常说的内存碎片。
看到这,你已经知道了什么是内存碎片,同时还了解了一种内存管理机制——动态分区法。上述举例其实就是动态分区法,操作系统早期使用动态分区法来管理内存。
怎么解决内存碎片化问题?
思路其实很简单:把多个小块内存拼成一个大块内存。
早期使用动态分区法的操作系统,为了解决碎片化问题,就是动态地移动进程,使得进程占用的空间是连续的,并且所有的空闲空间也是连续,这样就把多个小内存块拼起来了。但是缺点也非常明显,进程的迁移需要耗费大量的时间。
内碎片和外碎片
内存碎片分两种:内碎片和外碎片
内碎片:分配给程序的内存但未被利用的部分
外碎片:系统无法利用的小内存块(如上述动态分区法产生的碎片)
如今操作系统使用分页或分段机制来管理内存,但仍不可避免地会产生一些内存碎片。
为了解决内碎片和外碎片问题,Linux引入了两个东西:伙伴系统和slab。
伙伴系统用于解决外碎片问题,slab用于解决内碎片问题。
伙伴系统和slab也是内存管理中比较核心的内容,有兴趣的可以去研究一下。
总结
所以,当系统有很多内存,但无法分配出一片大块内存时,就是因为产生了很多内存碎片,导致系统中有很多不连续的小块内存,表面上看系统空闲内存很多,但实际都是一些零散的内存。
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