Linux上的free命令详解、swap机制

Linux上的free命令详解

 

　　解释一下Linux上free命令的输出。

　　下面是free的运行结果，一共有4行。为了方便说明，我加上了列号。这样可以把free的输出看成一个二维数组FO(Free Output)。例如：

• FO[2][1] = 24677460
• FO[3][2] = 10321516

                   1          2          3          4          5          6
1              total       used       free     shared    buffers     cached
2 Mem:      24677460   23276064    1401396          0     870540   12084008
3 -/+ buffers/cache:   10321516   14355944
4 Swap:     25151484     224188   24927296

　　free的输出一共有四行，第四行为交换区的信息，分别是交换的总量（total），使用量（used）和有多少空闲的交换区（free），这个比较清楚，不说太多。

　　free输出地第二行和第三行是比较让人迷惑的。这两行都是说明内存使用情况的。第一列是总量（total），第二列是使用量（used），第三列是可用量（free）。

　　第一行的输出时从操作系统（OS）来看的。也就是说，从OS的角度来看，计算机上一共有:

• 24677460KB（缺省时free的单位为KB）物理内存，即FO[2][1]；
• 在这些物理内存中有23276064KB（即FO[2][2]）被使用了；
• 还用1401396KB（即FO[2][3]）是可用的；

这里得到第一个等式：

• FO[2][1] = FO[2][2] + FO[2][3]

FO[2][4]表示被几个进程共享的内存的，现在已经deprecated，其值总是0（当然在一些系统上也可能不是0，主要取决于free命令是怎么实现的）。

FO[2][5]表示被OS buffer住的内存。FO[2][6]表示被OS cache的内存。在有些时候buffer和cache这两个词经常混用。不过在一些比较低层的软件里是要区分这两个词的，看老外的洋文:

• A buffer is something that has yet to be "written" to disk. 
  
• A cache is something that has been "read" from the disk and stored for later use.

也就是说buffer是用于存放要输出到disk（块设备）的数据的，而cache是存放从disk上读出的数据。这二者是为了提高IO性能的，并由OS管理。

Linux和其他成熟的操作系统（例如windows），为了提高IO read的性能，总是要多cache一些数据，这也就是为什么FO[2][6]（cached memory）比较大，而FO[2][3]比较小的原因。我们可以做一个简单的测试:

1. 释放掉被系统cache占用的数据；

   echo 3>/proc/sys/vm/drop_caches
   

2. 读一个大文件，并记录时间；
3. 关闭该文件；
4. 重读这个大文件，并记录时间；

第二次读应该比第一次快很多。原来我做过一个BerkeleyDB的读操作，大概要读5G的文件，几千万条记录。在我的环境上，第二次读比第一次大概可以快9倍左右。

　　free输出的第二行是从一个应用程序的角度看系统内存的使用情况。

• 对于FO[3][2]，即-buffers/cache，表示一个应用程序认为系统被用掉多少内存；
• 对于FO[3][3]，即+buffers/cache，表示一个应用程序认为系统还有多少内存；

因为被系统cache和buffer占用的内存可以被快速回收，所以通常FO[3][3]比FO[2][3]会大很多。

这里还用两个等式：

• FO[3][2] = FO[2][2] - FO[2][5] - FO[2][6]
• FO[3][3] = FO[2][3] + FO[2][5] + FO[2][6]

这二者都不难理解。

　　free命令由procps.*.rpm提供（在Redhat系列的OS上）。free命令的所有输出值都是从/proc/meminfo中读出的。

在系统上可能有meminfo(2)这个函数，它就是为了解析/proc/meminfo的。procps这个包自己实现了meminfo()这个函数。可以下载一个procps的tar包看看具体实现，现在最新版式3.2.8。

Linux内存中Swap机制

先来看看这个 
free -m 
total used free shared buffers cached 
Mem: 31912 24994 6918 0 763 18335 
-/+ buffers/cache: 5894 26017 
Swap: 4095 0 4095 
其实内存是三个之和：Mem+buffers/cache+Swap

在linux系统中，启动一个程序，它占用的内存假设是1G，但是运行一段时间后，使用top查看进行信息，你会发现它的内存只剩几十M了，这是因为内存不足，它的内存被swap走了。 
若开启了swap，则系统会有一个交换空间在硬盘里，你的内存数据正是被交换到硬盘里，因此程序会运行的比较慢。 
你可以用free -m命令查看交换空间使用了多少了。

Linux的产生和发展，更多的应用和服务器，那么对于Linux的各个管理机制要非常清晰，一个完整的Linux系统主要有存储管理，内存管理，文件系统和进程管理等几方面组成，贴出一些以前学习过的一个非常好的文章。和大家共享！以下主要说明Swap机制：

Linux支持虚拟内存（virtual memory），虚拟内存是指使用磁盘当作RAM的扩展，这样可用的内存的大小就相应地增大了。内核会将暂时不用的内存块的内容写到硬盘上，这样一来，这 块内存就可用于其他目的。当需要用到原始的内容时，他们被重新读入内存。这些操作对用户来说是完全透明的；Linux下运行的程式只是看到有大量的内存可 供使用而并没有注意到时不时他们的一部分是驻留在硬盘上的。当然，读写硬盘要比直接使用真实内存慢得多（要慢数千倍），所以程式就不会象一直在内存中运行 的那样快。用作虚拟内存的硬盘部分被称为交换空间（Swap Space）。 
　　一般，在交换空间中的页面首先被换入内存；如果此时没有足够的物理内存来容纳他们又将被交换出来（到其他的交换空间中）。如果没有足够的虚拟内存来容纳所有这些页面，Linux就会波动而不正常；但经过一段较长的时间Linux会恢复，但此时系统已不可用了。 
　　有时，尽管有许多的空闲内存，仍然会有许多的交换空间正被使用。这种情况是有可能发生的，例如如果在某一时刻有进行交换的必要，但后来一个占用 非常多物理内存的大进程结束并释放内存时。被交换出的数据并不会自动地交换进内存，除非有这个需要时。此时物理内存会在一段时间内保持空闲状态。对此并没 有什么可担心的，不过知道了是怎么一回事，也就无所谓了。 
　　许多操作系统使用了虚拟内存的方法。因为他们仅在运行时才需要交换空间，以解决不会在同一时间使用交换空间，因此，除了当前正在运行的操作系统的交换空间，其他的就是一种浪费。所以让他们共享一个交换空间将会更有效率。 
　　注意，如果会有几个人同时使用这个系统，他们都将消耗内存。然而，如果两个人同时运行一个程式，内存消耗的总量并不是翻倍，因为代码页及共享的库只存在一份。 
　　Linux系统常常动不动就使用交换空间，以保持尽可能多的空闲物理内存。即使并没有什么事情需要内存，Linux也会交换出暂时不用的内存页面。这能避免等待交换所需的时间：当磁盘闲着，就能提前做好交换