转一篇Linux可用内存的统计方法

简介:

背景
由于Linux缓存机制的设计,系统对缓存的使用是非常狠的,所以经常会看到某些环境内存只剩几十兆了,而应用只用了不到一半。所以在计算可用内存的时候,一定要算上缓存的部分。
通常方法,就是通过free命令首行free+cached+buffers计算,或者直接使用第二行的free字段。但这个方法有时仍然会造成比较大的误差,导致性能监控等方面的问题。
比如系统中使用了大量的共享内存会造成多计算可用内存;再比如对大量的文件做了查询(find / ?!!!
),会导致少计算可用内存。对于这点我在《说说free命令》中有详细的说明。这里就不再赘述了。

SUSE11 SP1基于2.6.32内核,内核暴露了更多的统计接口给用户空间,把slab分为可回收和不可回收两类指标来统计。free命令也对应做了修改。解决了free命令少计算可用内存的问题。但多计算的问题还是存在。
因此,在这里对统计可用内存的方法做了个总结。供需要的同学参考。(后面有空可能会开发一个统计工具)
其中SUSE10由于内核版本过低(2.6.16)暴露信息不足,下面的方法仍然不能很精确,但相比通过free命令简单统计而言,一般不会造成比较大的误差。

可用内存定义
包括未被使用的空闲内存,以及已经被使用但用作缓存可以自动回收的部分。

SUSE 10
可用内存统计方法
总内存:free命令首行total字段。
空闲内存:free命令首行free字段。
缓存:free命令首行buffers字段+cached字段。
修正值1:cached字段包含了共享内存和tmpfs内存文件系统占用的内存。需要减去这两部分。这两部分内存可通过ipcs -m -u和df 命令获取。 
修正值2:cached字段漏掉了内核slab中可以自动回收的内存,比如xxx_inode_cache和dentry_cache。这两部分的内存的计算方法是解析/proc/slabinfo。
最终的可用内存计算方法:
空闲内存+缓存-修正值1+修正值2

SUSE 11
可用内存统计方法
总内存:free命令首行total字段。
空闲内存:free命令首行free字段。
缓存:free命令首行buffers字段+cached字段。
修正值1:cached字段包含了共享内存和tmpfs内存文件系统占用的内存。需要减去这两部分。这两部分内存之和可通过/proc/meminfo的Shmem字段直接获取。
最终的可用内存计算方法:
空闲内存+缓存-修正值1

附1:ipcs获取共享内存占用物理内存大小
# ipcs -m -u
------ Shared Memory Status --------
segments allocated 4
pages allocated 786433
pages resident 2 #使用这个字段,单位是页,X86下一个页是4kB
pages swapped 0
Swap performance: 0 attempts 0 successes

附2:df获取tmpfs占用物理内存大小
# df
Filesystem 1K-blocks Used Available Use% Mounted on
/dev/sda2 20972152 4427900 16544252 22% /
devtmpfs 24711780 160 24711620 1% /dev #Used字段表示实际占用物理内存
tmpfs 24711780 0 24711780 0% /dev/shm #Used字段表示实际占用物理内存
/dev/sda5 1052184 59188 992996 6% /boot
/dev/sda9 83888824 16852500 67036324 21% /iso
/dev/sda7 10490040 1142876 9347164 11% /opt
/dev/sda10 83888824 9421200 74467624 12% /src
/dev/sda8 20972152 3475104 17497048 17% /usr
/dev/sda6 5245016 328392 4916624 7% /var


///////////////////增加统计工具////////2011.6.29///////////////////////////////////////////////////
统计工具(在SUSE10、SUSE11验证通过)
1. 修正可用内存多计算的情况(SUSE10 SUSE11)
如下环境,在进行了大量共享内存创建使用后,free命令统计可用内存,出现了很大的误差。
#echo 3 >/proc/sys/vm/drop_caches #清理可回收的内存
# free
total used free shared buffers cached
Mem: 49423560 13609680 35813880 0 26764 
11686608 #仍有11G不可以回收,因为是共享内存,不具备回收属性。
-/+ buffers/cache: 1896308 
47527252 # free计算可用内存,算入了共享内存,得到47G
Swap: 2104472 0 2104472
# ipcs -m -u
------ Shared Memory Status --------
segments allocated 20
pages allocated 4980737
pages resident 2883591 #共享内存有2883591 * 4 = 11534364 kB ~= 11G 
pages swapped 0
Swap performance: 0 attempts 0 successes
# afree
Total: 49423560 kB #
物理内存总计
Free: 35816908 kB #未被使用的内存
Reclaimable: 179348 kB #被使用了但是可以自动回收的内存
Available: 35996256 kB #afree统计出来的可用内存去除了11G的共享内存。

2. 
修正可用内存少计算的情况(SUSE10) 
如下环境,在进行了大量文件访问操作后,系统中缓存了大概600M的inode和dentry。
# free
total used free shared buffers cached
Mem: 3987316 1080908 2906408 0 163056 163848 
-/+ buffers/cache: 754004 
3233312 #没有统计slab中的可以回收的inode和dentry。
Swap: 2104472 0 2104472
# afree
Total: 3987316 kB
Free: 2906384 kB
Reclaimable: 958888 kB
Available: 
3865272 kB #afree统计了slab中的可以回收的inode和dentry。
# echo 3 >/proc/sys/vm/drop_caches #释放600M的inode和dentry缓存。
# free
total used free shared buffers cached
Mem: 3987316 93628 3893688 0 17780 8948
-/+ buffers/cache: 66900 
3920416 #执行drop_caches后,增加了600M,说明cached少统计了可回收的slab缓存。这600M即使不执行drop_caches也都是可用的,系统在需要的时候会自动回收。

注:afree通过解析slabinfo文件统计可回收的slab,其实suse10的内核有一个全局变量slab_reclaim_pages维护了准确的可回收数量,但没有暴露给给用户空间,因此更准确的方法其实就是写一个模块,把这个变量导出到来。

afree代码如下:

#!/bin/sh
#
#Get accurate available memory. 
#

function get_meminfo()
{
   grep -w $1 /proc/meminfo | awk -F' ' '{print $2}'
}
function show_meminfo()
{
   printf "%s\t%10d kB\n" "$1" "$2"
}

PAGE_SIZE=4 #kB, for x86 
function get_shmem_from_ipcs()
{
   local _shm=0
   _shm=$(ipcs -m -u | grep 'pages resident' | awk -F' ' '{print $3}')
   echo $((_shm * PAGE_SIZE))
}
function get_tmpfs_from_df()
{
   local _size=""
   _size=$(df -k | awk -F' ' 'BEGIN{total=0} {if ($1 == "tmpfs" || $1 == "devtmpfs" || $1 == "shm")total+=$3}END{print total}')
   echo $_size 
}

#inode, dentry and buffer_head is reclaimable 
function get_slab_reclaimable_from_slabinfo()
{
   local _size=""
   _size=$(awk -F' ' 'BEGIN{total=0} {if ($1~/inode/ || $1~"dentry" || $1 == "buffer_head")total+=($3 * $4)}END{printf "%d\n", total / 1024}' /proc/slabinfo)
   [ -z "$_size" ] && _size=0
   echo $_size 
}

free=$(get_meminfo MemFree)
total=$(get_meminfo MemTotal) 
cached=$(get_meminfo Cached)
buffer=$(get_meminfo Buffers)
swapcached=$(get_meminfo SwapCached)
shmem=$(get_meminfo Shmem)
slab_reclaimable=$(get_meminfo SReclaimable)
nfs_unstable=$(get_meminfo NFS_Unstable)

#the kernel does not support, no 'Shmem' field in /proc/meminfo, we use ipc and df.
if [ -z "$shmem" ] ; then
   shmem=$(( $(get_shmem_from_ipcs) + $(get_tmpfs_from_df) ))
fi

#the kernel does not support, no 'SReclaimable' field in /proc/meminfo, we use /proc/slabinfo.
if [ -z "$slab_reclaimable" ]; then
   slab_reclaimable=$(get_slab_reclaimable_from_slabinfo)
fi

#the kernel does not support, no 'NFS_Unstable' field in /proc/meminfo, we use null. :)
if [ -z "$nfs_unstable" ]; then 
   nfs_unstable=0
fi


reclaimable=$((cached + buffer + slab_reclaimable + swapcached + nfs_unstable - shmem))
available=$((free + reclaimable))
show_meminfo "Total: "        

说说free命令

free是个常用命令,几乎每个接触、使用linux的用户都会用到它。但往往对它的统计输出会有一些困惑,这一方面和Linux内存管理机制有关,另一方面Linux在内存统计上也确实有些不足和问题。

关键在于两个字段,buffers和cached。

 

你经常会发现Linux系统用了一段时间后,内存所剩无几,free命令,一看,内存全跑到 buffers和cached里面了;这个现象是正常的。访问过的磁盘文件的元数据及内容,内核都会缓存起来。这些缓存就是磁盘缓存。

 

Linux磁盘缓存设计特点(设计理念):
除了系统运行必须的一小部分保留外,只要有剩余内存,只要需要,就会用给磁盘缓存。(没有一个参数可以让你限定缓存的上限。2.6内核之前有一个限定参数,后来给取消了)

所以会经常看到内存所剩无几的现象,这是缓存机制导致的,对应用是透明,在有内存需要时,这些内存会释放。这个过程对应用是透明的,应用可以认为系统的可用内存包括buffers和cached。


这种设计,在大多数服务器应用场景下都有比较好的性能表现。可以说是比较可取的。

设计本身没有问题,但free命令显示的buffers和cached并不能和磁盘缓存完全对应,这是实现细节上的不足和问题。


1. buffers和cached包含了不属于磁盘缓存的内容。
由于buffers和cached实际上就是内核为所有文件映射分配的物理页的总和(page cache)。
但内核中的“文件概念”是广泛的,不仅包含了真正位于磁盘上的文件,还包含了为特殊需要创建的虚拟文件,比如:

进程间的共享内存(通过shmget API创建的内存),内核建立一个虚拟的文件和共享内存关联起来。(通过pmap命令你可以看到进程拥有的共享内存地址空间的映射字段是/SYSVXXXX字样,不是匿名的)。

 

非常的不幸,这些虚拟文件映射关联的page,也被算入了free命令显示的cached字段。但这部分内存没有缓存属性,在内存不足时不能按缓存的方式来回收。(使用echo 3 >/proc/sys/vm/drop_caches,无法释放掉这部分内存)

这个问题,会带来一些麻烦。比如,按照常规理解,某产品设计内存占用过高告警的条件是,空闲内存+buffers+cached小于内存总和的20% 。一般情况下没有问题,但如果产品使用了大量的共享内存,告警将失去作用。

 

2. buffers和cached遗漏了部分属于磁盘缓存的内容。
还 是由于buffers和cached只是内核为所有文件映射分配的物理页的总和。在文件系统方面,还有一部分缓存是不和文件映射相关联的,比如内核分配的 inode对象,在文件关闭时,并不会立即释放,具备缓存的属性。这部分不在基于文件映射的页面里,而是通过slab(内核内存池)分配的。


本文转自feisky博客园博客,原文链接:http://www.cnblogs.com/feisky/archive/2012/04/14/2447503.html,如需转载请自行联系原作者


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