天道酬勤

http://newosxbook.com/articles/MemoryPressure.html，译：冯绍波

译者语：作者在14年写了mac os&ios的圣经，16年出了第二版，可惜国内现在买的都是14年版本的译本，所以只能从作者的网站上了解一些最新的内容了。

1、关于

OS X和iOS中的内存压力是虚拟内存管理的一个非常重要的方面，在我的书中已经探讨了一点。虽然在书中我提到了Jetsam 和 memorystatus，但是该机制随着时间的推移发生了重大变化，导致最近在Mavericks电脑上引入了一些非常重要的sysctl接口和系统调用。这些新的特性改变是在我为OS X和iOS开发Process Explorer 工具时遇到的，因此我在这里记录他们。并作为本书第12章的附录，当然你也可以自己阅读。

你为什么要关心这个？

对于物理设备来说，CPU的另一个方面就是物理内存(RAM)。RAM是系统中最稀有的资源，如果应用程序有充足的内存能够使用直接关系到更好的性能，由于内存总量是一定的，所以这通常是牺牲其他应用程序的内存做代价的。在iOS中，没有可以能够交换内存的交换空间，使得内存资源更为关键。本文旨在让您在下次调用malloc（）或mmap（）多考虑一下，以及澄清在iOS上崩溃的最常见原因就是由于较低系统内存引起的。

2、首先要说的就是：虚拟内存

无论应用程序是干什么的，但是它必须使用内存。内存中保存这程序的代码，数据和状态。当然内存上与其他应用的隔离，会提供更多的安全性和稳定性。因此我们将此空间称为应用程序的虚拟内存，它是应用程序作为成为进程的特性之一：同一进程中，应用程序的线程将共享相同的这段虚拟内存空间。

虚拟存储器中的术语“虚拟”意味着存储器空间，但并不完全对应于系统上的真实存储器。这表现在几个方面：

1、虚拟内存空间可能超过可用的实际内存量 – 依赖于处理器处理宽度和操作系统，虚拟内存空间可高达4GB（32位）或256TB（64位）。特别是在后一种情况下，远远超过实际可用的内存量。

2、事实上，虚拟内存可能根本不存在：由于这样巨大的内存空间超过了物理内存支持能力，只有当应用程序明确请求虚拟内存（即分配），系统将物理内存映射到虚拟内存中 。因此，真正的内存在虚拟内存映像中相当稀疏。

3、即使分配了，虚拟内存可能仍然是虚拟的：大多数情况下，程序员分配远远超过他们需要的。因此，malloc操作只分配页表项，但很少分配内存本身。实际上是访问内存时，比如，通过memset，才会导致物理上的分配。

4、系统可以将内存备份到磁盘或网络上 - 或者称为“交换”内存到后备存储。 OS X传统上使用交换文件（在/ var / vm中）， iOS没有使用交换特性。

5、使用的虚拟内存可能会共享或可能不共享。操作系统能够使得当前的进程与其他进程共享虚拟内存，这对这些进程都是不可感知的。这适用于您使用的文件缓存（即调用mmap时声明的内存）。如果你的进程和另一进程mmap同一个文件，操作系统可以给你每个你的私有虚拟副本，这实际上是由一个单一的物理副本支持。所述物理副本将被标记为不可写。只要每个进程从内存中读取，一个副本就足够了。然而，如果进程向这种隐式共享存储器写入，则写入过程将触发page fault，这将导致内核执行写时复制（COW），其产生新的物理副本，用于这个进程的写入。

把上面总结一下，我们可以得出以下“公式”：

VSS = RSS + LSS + SwSS

VSS  虚拟集大小，由top，ps和其他报告可以看到。

RSS  Resident集大小- 进程的实际RAM占用空间。也显示在top，ps等命令中

LSS “Lazy” 集大小- 系统已同意分配但尚未分配的内存

Swss “Swap”集大小 - 以前在RAM中但已被推出以进行交换的内存。在iOS中，此值始终为0

所有以上的东西都可以通过一个简单的例子证明：使用vmmap可以查看任何一个进程，这里以shell本身为例：

专业术语：

在本文中，使用了以下术语：

Page: 内存管理的基本单位。在英特尔和ARM架构下，通常为4k（4096），在ARM64下为16k。您可以在OS X（或其他操作系统上使用sysctl hw.pagesize）上使用pagesize命令找出默认页面大小。英特尔架构下支持超级页面（8k）和巨页（2MB），但在实际中，这些相对很少使用.

Phyyical Memory / RAM :安装在主机（Mac或ios）上的有限内存量。您可以使用hostinfo命令获取此值。

Virtual Memory:程序或系统本身分配的内存，通常通过调用malloc，mmap或更高级别的调用（例如Objective-C 支持的alloc等等）。虚拟内存可以是私有的（由单个进程拥有）也可以是共享的（由2+个进程拥有）。共享内存对应用程序可以是可见的或是不可见的（操作系统上的）共享。

Page Fault: 当内存管理单元（MMU）检测到对违反虚拟内存的访问时，即出现缺页异常(Page Fault)。

也即下列情况之一发生：

• 访问未分配的内存：引用先前未曾访问的内存指针分配 – XNU将其转换为EXC_BAD_ACCESS异常，并且该过程接收到段故障（SIGSEGV，信号＃11）。

• 访问已分配但未提交的内存：解除引用先前已分配但尚未使用的内存的指针[没太理解]. - XNU拦截并且意识到它不再可以拖延，并且必须分配物理页面。引起Page Fault的线程在分配这些页面时将挂起不再运行。

• 访问内存，但未能符合其权限：内存页面以与标准UNIX文件权限类似的方式受r / w / x保护。尝试写入只读页（r--或r-x）将导致页错误，XNU内核将这种异常转换为总线故障（SIGBUS，信号＃7），或者如果这个页是系统隐含的共享内存时变为写入时复制（COW）操作。

  
  

工具

Apple提供了几个重要的工具来检查看内存的情况：

• vmmap - 检查单个进程的虚拟内存，类似于Linux的/ proc / <pid> / maps的方式，查看进程的“maps”。

• vm_stat - 从系统范围的角度提供虚拟内存的统计信息。这本质上只是一个调用Mach host_statistics64 API的封装，并打印出vm_statistics64_t的相关信息（从<mach / vm_statistics.h>

• top - 提供与性能相关的系统上的以及每个进程的统计信息，通过这个命令可以看到MemRegions，PhysMem和VM统计信息。

当然，我这里提一下我自己写的工具，进程探索器（procexp），它提供相对于TOP命令更丰富的内存统计信息。

3、内存压力

Mach层内部有两个变量可以表示内存压力：

vm_page_free_count：目前free内存的页数。

vm_page_free_target：至少有多少内存也应该是free。

你可以使用sysctl很容易的看到这两个值：

当free页面数量低于目标量时，我们就有了一个压力情况（这里还有其他潜在的情况，但为了简单，这里先做省略）。您还可以使用sysctl命令查询vm.memory_pressure的值，得到压力状态。在OS X 10.9和更高版本中，您还可以查询kern.memorystatus_vm_pressure_level，它有三个值：1（NORMAL），2（WARN）或4（CRITICAL）

在内核初始化之后，主线程变为vm_pageout，并生成一个专用线程vm_pressure_thread，用于监视内存压力事件。这个线程是空闲的（一般情况都在阻塞自己，等待唤醒的信号）。当检测到压力时，线程将由vm_pageout被唤醒。这种行为在XNU 2422/3（OSX 10.9 / iOS 7）中被修改（源码中明显看到将其移到在vm_pressure_response中）。

另外要说明的是，只有VM_PRESSURE_EVENTS被#define的时候，VM压力处理才会被编译到XNU内核中。vm_pressure_thread在2050的内核中什么都不做， 如果没有定义，2422/3的内核也不会被启动。此外，在iOS内核中，配置#define CONFIG_JETSAM后,将修改内存压力事件的一些行为，这个表现为更频繁地将事件分配到memorystatus线程，用以更新其计数器以及其他的用途。

[mach] _vm_pressure_monitor

XNU导出有＃296系统调用，这个调用没有被文档记录，vm_pressure_monitor （bsd / vm / vm_unix.c），它是mach_vm_pressure_monitor（osfmk / vm / vm_pageout.c）的一个封装。这个系统调用（通常有Mach内部调用）定义如下：

int vm_pressure_monitor（int wait_for_pressure，int nsecs_monitored，uint32_t * pages_reclaimed）;

这个调用一般将立即返回，如果wait_for_pressure非零就会阻塞。它将返回pages_reclaimed在nsecs_monitored的计数中释放了多少物理页面（而不是真正的nsecs，如循环迭代那么多）。其返回值表示所需的提供的页数（对应sysctl命令中的vm.page_free_wanted属性）。调用系统的调用很简单，而且不需要root权限。 （同样，你可以使用sysctl查询vm.memory_pressure）。

你可以使用procexp结合“vmmon”参数，尝试这个系统调用（这里说明一下，procexp通过一个线程实现了交互模式，显示压力警告）。指定附加参数“oneshot”将不等待压力，直接调用。否则，将一直等待直到检测到压力为止。

但是如何实际回收内存？为此，我们需要涉及memorystatus.

未完待续。