Как Linux работает с памятью. Семинар в Яндексе17.02.2015 16:03

Привет. Меня зовут Вячеслав Бирюков. В Яндексе я руковожу группой эксплуатации поиска. Недавно для студентов Курсов информационных технологий Яндекса я прочитал лекцию о работе с памятью в Linux. Почему именно память? Главный ответ: работа с памятью мне нравится. Кроме того, информации о ней довольно мало, а та, что есть, как правило, нерелевантна т.к. эта часть ядра Linux меняется достаточно быстро и не успевает попасть в книги. Рассказывать я буду про архитектуру x86_64 и про Linux-ядро версии 2.6.32. Местами будет версия ядра 3.х.Эта лекция будет полезна не только системным администраторам, но и разработчикам программ высоконагруженных систем. Она поможет им понять, как именно происходит взаимодействие с ядром операционной системы.

ТерминыРезидентная память — это тот объем памяти, который сейчас находится в оперативной памяти сервера, компьютера, ноутбука.Анонимная память — это память без учёта файлового кеша и памяти, которая имеет файловый бэкенд на диске.Page fault — ловушка обращения памяти. Штатный механизм при работе с виртуальной памятью.Страницы памяти Работа с памятью организована через страницы. Объём памяти, как правило, большой, присутствует адресация, но операционной системе и железу не очень удобно работать с каждым из адресов отдельно, поэтому вся память и разбита на страницы. Размер страницы — 4 KБ. Также существуют страницы другого размера: так называемые Huge Pages размером 2 MБ и страницы размером 1 ГБ (о них мы говорить сегодня не будем).Виртуальная память — это адресное пространство процесса. Процесс работает не с физической памятью напрямую, а с виртуальной. Такая абстракция позволяет проще писать код приложений, не думать о том, что можно случайно обратиться не на те адреса памяти или адреса другого процесса. Это упрощает разработку приложений, а также позволяет превышать размер основной оперативной памяти за счёт описанных ниже механизмов. Виртуальная память состоит из основной памяти и swap-устройства. То есть объём виртуальной памяти может быть в принципе неограниченного размера.

Для управления виртуальной памятью в системе присутствует параметр overcommit. Он следит за тем, чтобы мы не переиспользовали размер памяти. Управляется через sysctl и может быть в следующих трех значениях:

0 — значение по умолчанию. В этом случае используется эвристика, которая следит за тем, чтобы мы не смогли выделить виртуальной памяти в процессе намного больше, чем есть в системе; 1 — говорит о том, что мы никак не следим за объёмом выделяемой памяти. Это полезно, например, в программах для вычислений, которые выделяют большие массивы данных и работают с ними особым способом; 2 — параметр, который позволяет строго ограничивать объем виртуальной памяти процесса. Посмотреть, сколько у нас закоммичено памяти, сколько используется и сколько мы можем ещё выделить, можно в строках CommitLimit и Commited_AS из файла /proc/meminfo.Memory Zones и NUMA В современных системах вся виртуальная память делится на NUMA-ноды. Когда-то у нас были компьютеры с одним процессором и одним банком памяти (memory bank). Называлась такая архитектура UMA (SMP). Всё было предельно понятно: одна системная шина для общения всех компонентов. В последствии это стало неудобно, начало ограничивать развитие архитектуры, и, как следствие, была придумана NUMA.

Как видно из слайда, у нас есть два процессора, которые общаются между собой по какому-то каналу, и у каждого из них есть свои шины, через которые они общаются со своими банками памяти. Если мы посмотрим на картинку, то задержка от CPU 1 к RAM 1 в NUMA-ноде будет в два раза меньше, чем от CPU 1 на RAM 2. Получить эти данные и прочую информацию мы можем, используя команду numactl hardware.

Мы видим, что сервер имеет две ноды и информацию по ним (сколько в каждой ноде свободной физической памяти).  Память выделяется на каждой ноде отдельно. Поэтому можно потребить всю свободную память на одной ноде, а другую — недогрузить. Чтобы такого не было (это свойственно базам данных), можно запускать процесс с командой numactl interleave=all. Это позволяет распределять выделение памяти между двумя нодам равномерно. В противном случае ядро выбирает ноду, на которой был запланирован запуск этого процесса (CPU scheduling) и всегда пытается выделить память на ней.

Также память в системе поделена на Memory Zones. Каждая NUMA-нода делится на какое-то количество таких зон. Они служат для поддержки специального железа, которое не может общаться по всему диапазону адресов. К примеру, ZONE_DMA — это 16 MБ первых адресов, ZONE_DMA32 — это 4 ГБ. Смотрим на зоны памяти и их состояние через файл /proc/zoneinfo.

Page Cache Через Page Cache в Linux по умолчанию идут все операции чтения и записи. Он динамического размера, то есть именно он съест всю вашу память, если она свободна. Как гласит старая шутка, если вам нужна свободная память в сервере, просто вытащите ее из сервера.  Page Cache делит все файлы, которые мы читаем, на страницы (страница, как мы сказали, — 4 KБ).  Посмотреть, есть ли в Page Cache какие-то страницы какого-то конкретного файла, можно с помощью системного вызова mincore (). Или с помощью утилиты vmtouch, которая написана с использованием этого системного вызова.Как же происходит запись? Любая запись происходит на диск не сразу, а в Page Cache, и делается это практически моментально. Тут можно увидеть интересную «аномалию»: запись на диск идет намного быстрее, чем чтение. Дело в том, что при чтении (если данной странички файла в Page Cache нет) мы пойдем в диск и будем синхронно ждать ответа, а запись в свою очередь пройдет моментально в кеш.

Минусом такого поведения является то, что на самом деле данные никуда не записались, — они просто находятся в памяти, и когда-то их нужно будет сбросить на диск. У каждой странички при записи проставляется флажок (он называется dirty). Такая «грязная» страничка появляется в Page Cache. Если накапливается много таких страничек, система понимает, что пора их сбросить на диск, а то можно их потерять (если внезапно пропадет питание, наши данные тоже пропадут).

Память процесса Процесс состоит из следующих сегментов. У нас есть stack, который растет вниз; у него есть лимит дальше котрого он расти не может.

Затем идет регион mmap: там находятся все отображенные на память файлы процесса, которые мы открыли или создали через системный вызов mmap (). Далее идет большое пространство невыделенной виртуальной памяти, которую мы можем использовать. Снизу вверх растет heap — это область анонимной памяти. Внизу идут области бинарника, который мы запускаем.

Если мы говорим о памяти внутри процесса, то работать со страницами тоже неудобно: как правило, выделение памяти внутри процесса происходит блоками. Очень редко требуется выделить одну-две странички, обычно нужно выделить сразу какой-то промежуток страниц. Поэтому в Linux существует такое понятие, как область памяти (virtual memory area, VMA), которая описывает какое-то пространство адресов внутри виртуального адресного пространства этого процесса. На каждую такую VMA есть свои права (чтения, записи, исполнения) и области видимости: она может быть приватная или общая (которая «шарится (share)» с другими процессами в системе).

Выделение памяти Выделение памяти можно поделить на четыре случая: есть выделение приватной памяти и памяти, которой можем с кем-то поделиться (share); двумя другими категорями являются разделение на анонимную память и ту, у которая связана с файлом на диске. Самые частые функции выделения памяти — это malloc и free. Если мы говорим о glibc malloc (), то он выделяет анонимную память таким интересным способом: использует heap для аллокации маленьких объемов (менее 128 KБ) и mmap () для больших объемов. Такое выделение необходимо для того, чтобы память расходовалась оптимальнее и её можно было запросто отдавать в систему.  Если в heap не хватает памяти для выделения, вызывается системный вызов brk (), который расширяет границы heap. Системный вызов mmap () занимается тем, что отображает содержимое файла на адресное пространство. munmap () в свою очередь освобождает отображение. У mmap () есть флаги, которые регулируют видимость изменений и уровень доступа.

На самом деле, Linux не выделяет всю запрошенную память сразу. Процесс выделения памяти — Demand Paging — начинается с того, что мы запрашиваем у ядра системы страничку памяти, и она попадает в область Only Allocated. Ядро отвечает процессу: вот твоя страница памяти, ты можешь её использовать. И больше ничего происходит. Никакой физической аллокации не происходит. А произойдет она только в том случае, если мы попробуем в эту страницу произвести запись. В этот момент пойдёт обращение в Page Table — эта структура транслирует виртуальные адреса процесса в физические адреса оперативной памяти. При этом будут задействованы также два блока: MMU и TLB, как видно из рисунка. Они позволяют ускорять выделение и служат для трансляции виртуальных адресов в физические.

После того, как мы понимаем, что этой странице в Page Table ничего не соответствует, то есть нет связи с физической памятью, мы получаем Page Fault — в данном случае минорный (minor), так как отсутствует обращение в диск. После этого процесса система может производить запись в выделенную страницу памяти. Для процесса все это происходит прозрачно. А мы можем наблюдать увеличение счетчика минорных Page Fault для процесса на одну единицу. Также бывает мажорный Page Fault — в случае, когда происходит обращение в диск за содержимым страницы (в случае mmpa ()).

Один из трюков в работе с памятью в Linux — Copy On Write — позволяет делать очень быстрые порождения процессов (fork).

Работа с файлами и с памятью Подсистема памяти и подсистема работы с файлами тесно связаны. Так как работа с диском напрямую очень медленна, ядро использует в качестве прослойки оперативную память.malloc () использует больше памяти: происходит копирование в user space. Также потребляется больше CPU, и мы получаем больше переключений контекста, чем если бы мы работали с файлом через mmap ().

Какие выводы можно сделать? Мы можем работать с файлами, как с памятью. У нас есть lazy lоading, то есть мы можем замапить очень-очень большой файл, и он будет подгружаться в память процесса через Page Cache только по мере надобности. Всё также происходит быстрее, потому что мы используем меньше системных вызовов и, в конце концов, это экономит память. Ещё стоит отметить, что при завершении программы память никуда не девается и остается в Page Cache.

В начале было сказано, что вся запись и чтение идут через Page Cache, но иногда по какой-то причине, есть необходимость в отходе от такого поведения. Некоторые программные продукты работают таким способом, например MySQL с InnoDB.

Подсказать ядру, что в ближайшее время мы не будем работать с этим файлом, и заставить выгрузить страницы файла из Page Cache можно с помощью специальных системных вызовов:

posix_fadvide (); madvise (); mincore (). Утилита vmtouch также может вынести страницы файла из Page Cache — ключ »e».Readahead Поговорим про Readahead. Если читать файлы с диска через Page Cache каждый раз постранично, то у нас будет достаточно много Page Fault и мы будем часто ходить на диск за данными. Поэтому мы можем управлять размером Readahead: если мы прочитали первую и вторую страничку, то ядро понимает, что, скорее всего, нам нужна и третья. И так как ходить на диск дорого, мы можем прочитать немного больше заранее, загрузив файл наперёд в Page Cache и отвечать в будущем из него. Таким образом происходит замена будущих тяжёлых мажорных (major) Page Faults на минорные (minor) page fault.Итак мы выдали всем память, все процессы довольны, и внезапно память у нас закончилась. Теперь нам нужно ее как-то освобождать. Процесс поиска и выделения свободной памяти в ядре называется Page Reclaiming. В памяти могут находится страницы памяти, которые нельзя забирать, — залокированные страницы (locked). Помимо них есть ещё четыре категории страниц. Cтраницы ядра, которые выгружать не стоит, потому что это затормозит всю работу системы; cтраницы Swappable — это такие страницы анонимной памяти, которые никуда, кроме как в swap устройство выгрузить нельзя; Syncable Pages — те, которые могут быть синхронизированы с диском, а в случае открытого файла только на чтение — такие страницы можно с лёгкостью выбросить из памяти; и Discardable Pages — это те страницы, от которых можно просто отказаться.

Источники пополнения Free List Если говорить упрощённо, то у ядра есть один большой Free List (на самом деле, это не так), в котором хранятся страницы памяти, которые можно выдавать процессам. Ядро пытается поддерживать размер этого списка в каком-то не нулевом состоянии, чтобы быстро выдавать память процессам. Пополняется этот список за счёт четырех источников: Page Cache, Swap, Kernel Memory и OOM Killer.Мы должны различать участки памяти на горячую и холодную и как-то пополнять за счет них наши Free Lists. Page Cache устроен по принципу LRU/2 очереди. Есть активный список страниц (Active List) и инактивный список (Inactive List) страничек, между которыми есть какая-то связь. В Free List прилетают запросы на выделение памяти (allocation). Система отдаёт страницы из головы этого списка, а в хвост списка попадают страницы из хвоста инактивного (inactive) списка. Новые страницы, когда мы читаем файл через Page Cache, всегда попадают в голову и проходят до конца инактивного списка, если в эти страницы не было еще хотя бы одного обращения. Если такое обращение было в любом месте инактивного списка, то страницы попадают сразу в голову активного списка и начинают двигаться в сторону его хвоста. Если же в этот момент опять к ним происходит обращение, то страницы вновь пробиваются в верх списка. Таким образом система пытается сбалансировать списки: самые горячие данные всегда находятся в Page Cache в активном списке, и Free List никогда не пополняется за их счет.

Также тут стоит отметить интересное поведение: страницы, за счет которых пополняется Free List, которые в свою очередь прилетают из инактивного списка, но до сих пор не отданные для аллокации, могут быть возвращены обратно в инактивный списка (в данном случае в голову инактивного списка).

Итого у нас получается пять таких листов: Active Anon, Inactive Anon, Active File, Inactive File, Unevictable. Такие списки создаются для каждой NUMA ноды и для каждой Memory Zone.

Несколько слов о cgroups С помощью cgroups мы можем ограничивать несколько процессов по любым параметрам. В данном случае нам интересна память: можем ограничить память без swap, а можем память и swap. На каждую группу мы можем прикрутить свой Out Of Memory Killer. При помощи cgroups можно удобно получать статистику использования памяти для процесса или группы процессов в разрезе аннонимной и не анонимной памяти, использовании Page Caсhe и прочее (/sys/fs/cgroup/memory/memory.stat). При использовании cgroups с ограничением памяти Page Reclaiming бывает двух видов: Global Reclaiming, когда мы ищем память для всей системы — пополняем Free Lists системы; Target Reclaiming, когда мы освобождаем память в одной из cgroup — в случае нехватки памяти в ней. КнигиТем, кто хочет подробнее окунуться в устройство и работу Linux с памятью, я рекомендую почитать: SystemsPerformance: Enterprise and the Cloud; Linux System Programming: Talking Directly to the Kernel and C Library; Linux Kernel Development (3rd Edition).