Linux總是以Lazy的方式給應用程序分配內存，包括堆、棧（函數調用越深，用的棧越多，最終發生page fault才得到棧）、代碼段、數據段。那么，這些已經獲得到內存的段會一直占用著內存嗎？

1.page cache

Linux下讀寫文件，主要有兩種方式：

read/write

調用read讀文件，Linux內核會申請一個page cache，然后把文件讀到page cache中，再將內核空間的page cache拷貝到用戶空間的buf。

調用write寫文件，則將用戶空間buf拷貝到內核空間page cache。

mmap

mmap可以避免buf從用戶空間到內核空間的拷貝過程。

直接把文件映射成一個虛擬地址指針，這個指針指向內核申請的page cache。內核知道page cache與硬盤中文件的對應關系。

使用mmap讀寫文件

注：讀寫權限需要對應，否則觸發page fault。

編譯執行：

mmap看起來是由一個虛擬地址對應一個文件（可以直接用指針訪問文件），本質上是把進程的虛擬地址空間映射到DRAM（內核從這片區域申請內存做page cache），而這個page cache對應磁盤中的某個文件，且Linux內核會維護page cache和磁盤中文件的交換關系。詳見下圖：

page cache可以看作內存針對磁盤的一個緩存，應用程序在寫文件時，其實只是將內容寫入了page cache，使用sync才能真的寫入文件。

ELF可執行程序頭部會記錄代碼段的位置，代碼段的本質就將ELF文件中的代碼段直接mmap映射到一個虛擬地址，且權限為R+X。

page cache可以極大的提高系統整體性能。如，進程A讀一個文件，內核空間會申請page cache與此文件對應，并記錄對應關系，進程B再次讀同樣的文件就會直接命中上一次的page cache，讀寫速度顯著提升。但注意，page cache會根據LRU算法（最近最少使用）進行替換。

演示：page cache對程序執行時間的影響

第一次多出很多硬盤io操作；第二次python的很多環境都在內存中命中了，速度提升顯著。用\time -v命令再次對比：

附注：

i.swap：

動詞：swapping，內存與磁盤的顛簸行為

名字：swap分區

ii.cache可以通過/proc/sys/vm/drop_caches強行釋放，寫1釋放page cache，2釋放dentries和inode，3釋放兩者。

2.free命令的詳細解釋

上圖中，buffers與cached都是文件系統的緩存，沒有本質區別，唯一區別是背景不同：

i.當以文件系統（ext4,xfs等）的形式去訪問文件系統中的文件，如mount /dev/sda1 /mnt后，/mnt目錄下會有很多文件，訪問這類文件所產生的cache就對應free命令顯示的cached列。

ii.直接訪問/dev/sda1時，如用戶程序直接打開open(“dev/sda1…)或執行dd命令，以及文件系統本身去訪問裸分區，所產生的cache對應free命令顯示的buffers列。

參考下圖所示：

演示：讀硬盤裸分區導致free命令顯示內容變化

linux kernel 3.14版本以后，已經采用新的free命令，如下圖：

老版本free中-/+buffers/cache的含義如下圖：

新版本free中多出available，即是評估出現在還有多少內存可供應用程序使用。

3.file-backed的頁面和匿名頁

page cache和CPU內部cache一樣，是可以被替換出去的。有文件背景的頁面可以swap到磁盤。EG. 啟動firefox，跑一個oom的程序，前后對比firefox的smaps文件。可以看出firefox在內存緊張的情況下，代碼段、mmap的字體文件等都被替換出去而不駐留內存了。

那么，沒有文件背景的匿名頁是如何交換回收的呢？是否常住內存？詳見下圖：

有文件背景的頁面和匿名頁都需要swap，有文件背景的頁面向自己的文件背景中交換，匿名頁向swap分區和swapfile中交換。即使編譯內核時將CONFIG_SWAP關閉（只是關閉了匿名頁的交換），linux內核中kswapd的線程還是會swap有文件背景的頁面。

Linux有三個水位：min，low，high。一旦內存達到低水位時，后臺自動回收直到回收到高水位。當內存到達min水位時，直接堵住進程進行回收。

匿名頁和有文件背景的頁面都有可能被回收，/proc/sys/vm/swappiness值比較大時，傾向回收匿名頁；swappiness值比較小時傾向回收有文件背景的頁面。回收算法皆為LRU。

附注：

數據段比較特殊，在沒有寫的情況是有文件背景的，但被寫后就變為匿名頁。

Windows中的虛擬內存就相當于Linux的swapfile。

4.頁面回收和LRU

如上圖，運行到第4列時，第1頁最不活躍。運行到第5列時又把第1頁踏了一次，此時第2頁變為最不活躍的。運行到第6列時又把第2頁踏了一次，此時第3頁變為最不活躍的，所以在第7列時，由于要訪問一個新的第5頁，3就被替換出去。

5.swap以及zRAM

嵌入式系統受flash限制，很少使用swap分區，一般都swapoff。所以嵌入式系統引入zRAM技術。

zRAM直接把一塊內存模擬成一個硬盤分區，當作swap分區使用，此分區自帶透明壓縮功能，當匿名頁向zRAM分區寫時，Linux內核使CPU自動對匿名頁進行壓縮。接下來，當應用程序又執行到剛才的匿名頁時，由于此頁已經被swap到zRAM中，內存中沒有命中，頁表也沒有命中，所以此時再去訪問這塊內存時再次發生page fault，Linux就從zRAM分區中將匿名頁透明的解壓出來還到內存中。

zRAM的特點是用內存來做swap分區，透明壓（兩頁匿名頁有可能被壓縮成一頁），透明解（一頁解壓成兩頁），這樣其實相當于擴大了內存，但會多損耗一些CPU。