转一篇大神给咱们提供的Linux可用内存的统计方法

mytomorrow · 发表于 2020-1-10 10:36

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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。

xixihahaheihei · 发表于 2020-1-10 17:53

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