Linux管理之内存篇

一、概念
? ?? ? Linux的内存分为物理内存和虚拟内存，物理内存即是插在主板上的所有内存的总和，而虚拟内存（Virtual Memory）是采用硬盘对物理内存的一种扩展，当物理内存不够使用时，内核会将物理内存中未使用的一部分内如的内容写入到硬盘上，将空闲的这部分内存用于其它用途，当再一下需要原始内容时，将硬盘上的内容读入内存，这就是Linux上的swap。但是硬盘的读写相对内存来说很慢（大约1000倍），所以涉及到swap操作的程序运行速度无法运行很快，如果条件允许可以加大物理内存总量，禁用swap。
? ?? ???Linux内部的最小内存分配单元为page,每个page的大小一般为4K, 可通过以下命令获取page的大小:getconf PAGE_SIZE，虚拟内存的基本单位也为Page，它被分为很多的Page，在X86中一个Page为4KB。当内核写内存到硬盘或者读磁盘到内存，这就是一次与Memory Swaping；内存分页（Memory Paging）是指内核会定期将内存中的数据同步到硬盘，所以它一直是在活跃运行的。
随着程序不断运行，不断消耗内存，内核就必须经常扫描内存空间收回和释放内存空间，内核采用PFRA(Page Frame Reclaim Algorithm)页面回收算法来回收和释放内存空间，内存页有几下几个类型：
(1) Unreclaimable: 锁定的内存保留页；
(2) Swappable：匿名的内存页；
(3) Syncable：通过硬盘文件备份的内存页；
(4) Discardable：静态页和被丢弃的页。
除了第一种之外，都可以被PFRA进行回收。

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二、进程

1. kswapd进程
它负责确保系统空闲物理内存的数量在一个合适的范围，它监控内核中的pages_high和pages_low阙值。如果空闲内存的数值低于pages_low，则每次kswapd进程启动扫描并尝试释放32个free pages。并一直重复这个过程，直到空闲内存的数值高于pages_high。在物理内存严重不足的情况下,会导致系统频繁调用kswapd进程, 引起I/O严重等待.整个系统处于假死状态.kswapd进程会过度占用CPU。
Kswapd进程完成以下几个操作：
（1） 如果该页处于未修改状态，则将该页放置回空闲列表中；
（2） 如果该页处于已修改状态并备份回文件系统，则将页内容写入到磁盘；
（3） 如果该页处于已修改状态但没有任何磁盘备份，则将页内容写入懂啊swap area；
2. pdflush进程
它用来同步文件相关的内存页面，把内存页面及时同步到硬盘上，在Linux系统中，写操作是异步的，即写操作返回的时候数据并没有真正写到磁盘上，而是先写到了系统cache里，随后由pdflush内核线程将系统中的脏页（由于内存中页缓存的缓存作用，写操作实际上都是延迟的，当页缓存中的数据比磁盘存储的数据还要新时，那么该数据就被称为脏页）写到磁盘上。

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三、相关工具
1. free、top
Linux中使用free可以查看系统内存使用状态，默认单位为Kb。

? ?? ?Mem 行显示了从系统角度看来内存使用的情况，total是系统可用的内存大小, 数量上等于系统物理内存减去内核保留的内存，buffers和cached是系统用做缓冲的内存。buffers与某个块设备关联，包含了文件系统元数据，buffer中放的是对象数据结构, 并且跟踪了块的变化，cache只包含了文件本身，cached中放的是无结构的块数据。
? ?? ? -/+ buffers/cache行则从用户角度显示内存信息，可用内存从数量上等于mem行used列值减去buffers和cached内存的大小。因为buffers和cached是操作系统为加快系统运行而设置的，当用户需要时，可以直接为用户使用。
Linux第一次读取一个文件运行时，一份放到一片内存中cache起来，另一份放入运行程序的内存中正常运行，当程序运行完关闭。Cache中的那一份却没有释放第二次运行的时候，系统先看看在内存中是否有一次运行时存起来的cache中的副本，如果有的话，直接从内存中读取，那样，速度就快多了。如果cache占用的内存过多了，影响正常运行程序需要的内存，那么会释放掉一部分cache内存，但是总量会保持一个很高的值，所以,Linux总是能最大限度的使用内存，就算加到16G，32G内存，也会随着不断的IO操作，内存的free值会慢慢减少到只有几M，所以说linux下内存的used经常很大。
所以可以得到以下等式：
Total mem=Free mem+Used mem
Used mem=内核表使用+程序使用物理内存+Buffer mem+Cached mem
程序使用内存=Used – Buffer- Cached – 内核使用（可以忽略）；因此一个程序一次可申请的内存<=Free + Buffer +Cached
2. vmstat
vmstat 命令报告关于内核线程、虚拟内存、磁盘、陷阱和 CPU 活动的统计信息，语法规则：vmstat [ -f ] [ -i ] [ -s ] [ -I ] [ -t ] [ -v ] [ PhysicalVolume ... ] [ Interval [ Count ] ]

Vmstat输出字段说明
Swapd：当前虚拟内存使用的总额(单位：KB)。空闲内存到达到最低的阙值，更多的数据被转换成虚拟内存页到swap area中；
Free：当前内存中可用空间字节数；
Buffer：当前内存中用于read()和write()操作的缓冲区缓存字节数；
Cache：当前内存中映射到进程地址空间字节数；
So：写入交换空间的字节数总额；
Si：从交换空间写回内存的字节数总额；
Bo：磁盘块页面从内存到文件或交换设备的总额；
Bi：磁盘页面从文件或交换设备到内存的总额；
inactive： vmstat -a查看（什么意思没弄明白）；
active：vmstat -a查看（什么意思没弄明白）；
3. 查看系统实际内存大小
命令dmesg |grep [mM][eE][mM]
找到输出中的Memory: 2042524k/2086248k available，其中后面的为物理实际内存大小，而前面为系统可用内存大小，即去掉了内核占用内存、保留内存、数据缓存以后的可用内存（大约45M）。
4. 其它命令
cat /proc/meminfo: 机器的内存使用信息，内存的一些额定值；
cat /proc/pid/maps： pid为进程号，显示当前进程所占用的虚拟地址；
cat /proc/pid/statm：进程所占用的内存。
cat /proc/self/statm 输出以下结果
654 57 44 0 0 334 0
　　输出解释
　　CPU 以及CPU0。。。的每行的每个参数意思（以第一行为例）为：
　　参数 解释 /proc//status
　　Size (pages) 任务虚拟地址空间的大小 VmSize/4
　　Resident(pages) 应用程序正在使用的物理内存的大小 VmRSS/4
　　Shared(pages) 共享页数 0
　　Trs(pages) 程序所拥有的可执行虚拟内存的大小 VmExe/4
　　Lrs(pages) 被映像到任务的虚拟内存空间的库的大小 VmLib/4
　　Drs(pages) 程序数据段和用户态的栈的大小 （VmData+ VmStk ）4
　 dt(pages) 04

四、监控
服务器内存的监控可以采用Nagios或者Cacti，这里提供Cacti的方式进行监控，通过分析SNMP获取数据。需要在被监控上安装SNMP，并设置好相应