原创｜X侦探所事件簿｜内存到哪里去了
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「第一部分 前言」
我们都知道，程序的运行离不开内存。很多人都有这种直接朴素的想法，内存越大程序的运行速度越快。对于数据库来说，如果数据都能加载到内存中，不需要从磁盘读取，那速度肯定是杠杠的。但是，对于现在的应用来说，几十GB乃至TB级别的数据，都是常见的情况，但内存多是十几GB。所以，内存就是就是珍贵的资源，要精打细算的使用，那么这次我们就探究一下和内存相关的知识。这些知识将从两个方面着手，一是操作系统方面，从该方面我们讲述内存在这个层面是怎么分布的；二是MySQL方面，从该方面我们了解在运行中MySQL的各个模块的内存申请情况。以及最后，这两方面结合看所产生的一些问题。本章，我们从操作系统来了解一下有哪些内存概念，以及通过一些实验来验证这些概念。
1.1 运维中的内存
大多数时候，我们是从运维角度来了解内存的，看看系统有多少内存，程序占用多少内存，这里我们通过工具以及操作系统信息，简单了解程序运行时内存使用情况。
1.2 TOP
查看内存的第一个方法是使用top命令来查看程序的运行情况。如下图所示
图片中展示的PID是进程在操作系统中运行时ID编号，通过这个ID唯一标识一个进程。输出信息中，内存相关最重要的是VIRT和RES这两个指标，其中VIRT是使用的虚拟内存空间，RES是实际占用的常驻内存空间。
在这里面要解释一下虚拟内存空间和常驻内存空间。虚拟内存空间是通过mmap/malloc/new等方式，向操作系统声明要使用的空间，但是这些操作所获取的内存空间并没有被读取或者写入，此时没有使用内存条上物理空间；常驻内存空间是实际占用的内存空间，也就是通过读取或者写入内容，真正意义上占用了内存条上物理空间。
1.3 /proc/[pid]/status
进一步细致地查看内存的方式是通过/proc/[pid]目录下的status文件，可以看到内存的使用情况。如下图所示，通过ps获取进程的PID，并展示/proc目录下该PID的status的内容。
在该文件中，更详细的展示程序运行中内存使用情况，不同内核版本输出的信息不尽相同，所以需要根据实际环境查找对应手册。其中VmSize和top中的VIRT是相同含义，VmRSS和top中的RES是相同含义；在输出的内容中的内存使用还包括了VmExe等信息。这里VmExe是程序的代码段所需要的虚拟空间，VmData是程序运行时的虚拟数据空间的大小，VmExe是程序代码段的大小，VmLib是共享库代码空间的大小。
1.4 size
上面引入的VmExe等概念可以通过size命令静态的了解执行文件在内存中的相关信息，如下图所示
其中text是代码（也就是CPU指令）所占用的空间对应VmExe，data是初始值的全局变量空间，bss是没有初始值的全局变量的空间，这些内存空间是在程序运行启动时，就需要分配给进程的。
由size命令，引入代码段等概念，我们需要介绍一下Linux运行时，程序的内存空间分布，其情况如下图所示
所有代码的代码段都是从0x400000的虚拟地址空间开始的，从这里开始，以此向上存储的是代码空间，初始化全局变量空间，未初始化全局变量的空间。特殊说明一下，在不同的版本下面虚拟内存映射可能会有些差异，需要结合特定版本的手册来准确定位这些信息。
1.5 /proc/[pid]/maps
更进一步的查看内存空间的使用情况需要查看/proc/[pid]/maps文件，该文件的功能是记录了内存申请的虚拟地址（如malloc等内存分配函数）。如下所示，在maps文件中有如下内容
用于加在代码段的0x400000地址起始的代码空间：
主线程的堆栈空间：
子线程的堆栈空间：
所使用的动态链接库的地址空间：
所有类似如上空间的总和，构成了程序在内存中运行的全部虚拟空间。但这里要注意，这些空间很多可能没有实际存储数据，因此不会使用到内存条上的物理空间。在Linux下，只有当读写这些虚拟内存，触发了page fault中断，才会将虚拟内存和物理内存建立映射关系。这时的物理内存将会被统计到VmRSS（status文件）和RES（top命令）。
如上我们从运维的角度了解到内存的一些知识，下面将会通过简单的代码，验证一下关于mmap，malloc以及thread stack 局部变量和status文件中VmRSS等信息的关系。
「第二部分 代码看内存」
static int stop_thread = 0;int sleep_in_second(int n){struct timespec time_to_sleep, time_real_sleep;time_to_sleep.tv_sec = n;time_to_sleep.tv_nsec = 0;nanosleep(&time_to_sleep, &time_real_sleep);}static void* thread_func(void *arg){int temp = (int)((long long)arg);printf("thread %d\n", temp);if (temp == 1){//thread 1//local variables memory testconst int local_size = 4*1024*1024;char buf[local_size];memset(buf, 0, local_size);//malloc memory testconst int malloc_size(8*1024*1024);char *p = (char*)malloc(malloc_size);for (int i = 0; i < malloc_size; i++){p[i] = (i % 26) + 'a';}//mmap memory test;const int mmap_size = 16*1024*1024;char *p2 = nullptr;p2 = (char*)mmap(NULL, mmap_size, PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);for (int i = 0; i < mmap_size; i++){p2[i] = (i % 26) + 'a';}}else{//thread 2}while (1){if (stop_thread)break;sleep_in_second(1);}return 0;}intmain(int argc, char *argv[]){pthread_t thread;pthread_attr_t attr;pthread_attr_init(&attr);const int stack_16m = 16*1024*1024;pthread_attr_setstacksize(&attr, stack_16m);//default 8M thread stack sizepthread_create(&thread,&attr,&thread_func,(void*)1);//16M thread stack sizepthread_create(&thread,NULL,&thread_func,(void*)2);getchar();stop_thread = 1;return 0;}//g++ mem_test.cc -o mem_test -lrt -lpthread -std=c++11
2.1 测试1
没有线程及相关代码，基线测试
size命令
status文件
2.2 测试2
创建线程，并定义本地变量未初始化/初始化
未初始化本地变量
size命令
status文件
初始化本地变量
size命令
status文件
结论1
通过对该测试的VmRSS进行观察，可以得出一个结论，线程本地stack上定义的变量，如果没有初始化，则不会产生实际的空间占用。初始化后，将会占用实际的物理空间。
2.3 测试3
malloc和mmap分配，未初始化/初始化
未初始化
size命令
status文件
初始化
size命令
status文件
以上是简单的实验，来验证内存的一些情况，并未涵所有的情况，比如在在线程函数内定义int类型的变量会是什么情况？对应的maps文件中内存的分配是什么情况？这些都留给读者自己去尝试，去验证。
「第三部分 结束语」
内存是程序运行的核心，在MySQL的运行中内存的使用是云用户关注的重要指标之一，这涉及到购买资源是否足够。在下一篇中，我们将会从MySQL的角度介绍内存是如何被MySQL所管理的。
「第四部分 参考文献」
https://man7.org/linux/man-pages/man5/proc.5.html
https://linuxtools-rst.readthedocs.io/zh_CN/latest/tool/size.html
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