从free到page cache

Free

我们经常用free查看服务器的内存使用情况，而free中的输出却有些让人困惑，如下：

 

图1-1

先看看各个数字的意义以及如何计算得到：

free命令输出的第二行(Mem)：这行分别显示了物理内存的总量(total)、已使用的 (used)、空闲的(free)、共享的(shared)、buffer(buffer大小)、 cache(cache的大小)的内存。我们知道Total、free、buffers、cached这几个字段是从/proc/meminfo中获取的，而used = total – free。Share列已经过时，忽略(见参考)。

free命令输出的第三行(-/+ buffers/cache)：

它显示的第一个值(used)：548840，这个值表示系统本身使用的内存总量，即除去buffer/cache，等于Mem行used列 - Mem行buffers列 - Mem行cached列。

它显示的第二个值(free)：1417380，这个值表示系统当前可用内存，它等于Mem行total列—used，也等于Mem行free列 + Mem行buffers列 + Mem行cached列。

free命令输出的第四行(Swap) 这行显示交换内存的总量、已使用量、 空闲量。

我们都知道free是从/proc/meminfo中读取相关的数据的。

 

图1-2

来看看/proc/meminfo的相关实现：

// proc_misc.c

static int meminfo_read_proc(char *page, char **start, off_t off,

int count, int *eof, void *data)

{

…

struct sysinfo i;

si_meminfo(&i); //统计memory的使用情况

si_swapinfo(&i); //统计swap的使用情况

…

len = sprintf(page,

"MemTotal:     %8lu kB\n"

"MemFree:      %8lu kB\n"

"Buffers:      %8lu kB\n"

"Cached:       %8lu kB\n"

"SwapCached:   %8lu kB\n"

…

K(i.totalram),

K(i.freeram),

K(i.bufferram),

K(get_page_cache_size()-total_swapcache_pages-i.bufferram),

K(total_swapcache_pages),

…

}

struct sysinfo {

long uptime;                      /* Seconds since boot */

unsigned long loads[3];          /* 1, 5, and 15 minute load averages */

unsigned long totalram;                  /*总的页框数,Total usable main memory size */

unsigned long freeram;                   /* Available memory size */

unsigned long sharedram;    /* Amount of shared memory */

unsigned long bufferram;     /* Memory used by buffers */

unsigned long totalswap;       /* Total swap space size */

unsigned long freeswap;                 /* swap space still available */

unsigned short procs;            /* Number of current processes */

unsigned short pad;                /* explicit padding for m68k */

unsigned long totalhigh;        /* Total high memory size */

unsigned long freehigh;                  /* Available high memory size */

unsigned int mem_unit;                  /* Memory unit size in bytes */

char _f[20-2*sizeof(long)-sizeof(int)]; /* Padding: libc5 uses this.. */

};

图中，Buffers对应sysinfo.bufferram，内核中以页框为单位，通过宏K转化成以KB为单位输出。

void si_meminfo(struct sysinfo *val)

{

val->totalram = totalram_pages;//总的页框数

val->sharedram = 0;

val->freeram = nr_free_pages();//计算空闲页框数

val->bufferram = nr_blockdev_pages();//block device使用的面框数

#ifdef CONFIG_HIGHMEM

val->totalhigh = totalhigh_pages;

val->freehigh = nr_free_highpages();

#else

val->totalhigh = 0;

val->freehigh = 0;

#endif

val->mem_unit = PAGE_SIZE;

}

//遍历所有的块设备，累加相应的页面数量

long nr_blockdev_pages(void)

{

struct list_head *p;

long ret = 0;

spin_lock(&bdev_lock);

list_for_each(p, &all_bdevs) {

struct block_device *bdev;

bdev = list_entry(p, struct block_device, bd_list);

ret += bdev->bd_inode->i_mapping->nrpages;

}

spin_unlock(&bdev_lock);

return ret;

}

nr_blockdev_pages计算块设备使用的页框数，遍历所有块设备，将使用的页框数相加。而不包含普通文件使用的页框数。

Cached = get_page_cache_size()-total_swapcache_pages-i.bufferram。

static inline unsigned long get_page_cache_size(void)

{

int ret = atomic_read(&nr_pagecache);

if (unlikely(ret < 0))

ret = 0;

return ret;

}

Cache的大小为内核总的page cache减去swap cache和块设备占用的页框数量，实际上cache即为普通文件的占用的page cache。实际上，在函数add_to_page_cache和__add_to_swap_cache 中，都会通过调用pagecache_acct实现对内核变量nr_pagecache进行累加。前者对应page cache，内核读块设备和普通文件使用；后者对应swap cache，内核读交换分区使用。

Page cache(页面缓存)

在linux系统中，为了加快文件的读写，内核中提供了page cache作为缓存，称为页面缓存(page cache)。为了加快对块设备的读写，内核中还提供了buffer cache作为缓存。在2.4内核中，这两者是分开的。这样就造成了双缓冲，因为文件读写最后还是转化为对块设备的读写。在2.6中，buffer cache合并到page cache中，对应的页面叫作buffer page。当进行文件读写时，如果文件在磁盘上的存储块是连续的，那么文件在page cache中对应的页是普通的page，如果文件在磁盘上的数据块是不连续的，或者是设备文件，那么文件在page cache中对应的页是buffer page。buffer page与普通的page相比，每个页多了几个buffer_head结构体(个数视块的大小而定)。此外，如果对单独的块（如超级块）直接进行读写，对应的page cache中的页也是buffer page。这两种页面虽然形式略有不同，但是最终他们的数据都会被封装成bio结构体，提交到通用块设备驱动层，统一进行I/O调度。

// include/buffer_head.h

struct buffer_head {

/* First cache line: */

unsigned long b_state;            /* buffer state bitmap (see above) */

struct buffer_head *b_this_page;/* circular list of page's buffers */

struct page *b_page;               /* the page this bh is mapped to,页框 */

atomic_t b_count;            /* users using this block */

u32 b_size;                        /* block size */

sector_t b_blocknr;                   /* block number,块设备中的逻辑块号 */

char *b_data;                     /* pointer to data block */

struct block_device *b_bdev;//块设备

bh_end_io_t *b_end_io;           /* I/O completion */

void *b_private;               /* reserved for b_end_io */

struct list_head b_assoc_buffers; /* associated with another mapping */

};

在kernel2.6之后，buffer_head没有别的作用，主要用来保持页框与块设备中数据块的映射关系。

Buffer page(缓冲页)

如果内核需要单独访问一个块，就会涉及到buffer page，并会检查对应的buffer head。

内核创建buffer page的两种常见情况：

(1)当读或者写一个文件页的数据块不相邻时。发生这种情况是因为文件系统为文件分配了非连续的块，或者文件有洞。具体请参见block_read_full_page(fs/buffer.c)函数:

///对于块设备文件和数据块不相邻的普通文件,都会调用该方法

int block_read_full_page(struct page *page, get_block_t *get_block)

{

…

if (!page_has_buffers(page))///page没有分配buffer head,见buffer_head.h

create_empty_buffers(page, blocksize, 0);//为page创建buffer_head

head = page_buffers(page);

}

这里使用buffer head主要是通过buffer head建立页框与数据块的映射关系。因为页面中的数据不是连接的，而页框描述符struct page的字段又不足以表达这种信息。

(2)访问一个单独的磁盘块(比如，读超级块或者索引节点块时)。参见ext2_fill_super(fs/ext2/super.c)，该函数在安装ext2文件系统时调用。

Buffer page和buffer head的关系：

 

小结：对于普通文件，如果页面中的块是连续的，则页面没有对应buffer head；如果不连续，则页面有对应的buffer head，参见do_mpage_readpage函数。对于块设备，无论是读取单独的数据块，还是作为设备文件来进行读取，页面始终有对应的buffer head，参见block_read_full_page/__bread函数。

Swap cache(交换缓存)

在图1-2中，有一行swapcached，它表示交换缓存的大小。Page cache是磁盘数据在内存中的缓存，而swap cache则是交换分区在内存中的临时缓存。Swap cache对交换分区具有十分重要的意义，这里不再赘述，详细讨论请见参考文献。

Swap用来为非映射页在磁盘上提供备份。有三类页必须由交换子系统进行处理：(1)进程匿名线性区(anonymous memory region)的页，比如用户态的堆栈和堆，匿名内存映射也是。(2) 进程私有内存映射的脏页。(3)IPC共享内存区的页。1和3都比较好理解，因为它们都没有对应的磁盘文件，所以必须通过swap来临时存储数据。下面讨论一下第2点。

Memory mapping(内存映射)

内核有两种类型的内存映射：共享型(shared)和私有型(private)。私有型是当进程为了只读文件，而不写文件时使用，这时，私有映射更加高效。但是，任何对私有映射页的写操作都会导致内核停止映射该文件中的页。所以，写操作既不会改变磁盘上的文件，对访问该文件的其它进程也是不可见的。

共享内存中的页通常都位于page cache，私有内存映射只要没有修改，也位于page cache。当进程试图修改一个私有映射内存页时，内核就把该页进行复制，并在页表中用复制的页替换原来的页。由于修改了页表，尽管原来的页仍然在page cache，但是已经不再属于该内存映射。而新复制的页也不会插入page cache，而是添加到匿名页反向映射数据结构。参见do_no_page(mm/memory.c)。

static int

do_no_page(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,

unsigned long address, int write_access, pte_t *page_table, pmd_t *pmd)

{

…

//写私有内存映射,则复制页面

if (write_access && !(vma->vm_flags & VM_SHARED)) {

struct page *page;

if (unlikely(anon_vma_prepare(vma)))

goto oom;

page = alloc_page_vma(GFP_HIGHUSER, vma, address);

if (!page)

goto oom;

copy_user_highpage(page, new_page, address);///copy page

page_cache_release(new_page);

new_page = page;

anon = 1;

}

…

if (anon) {

lru_cache_add_active(new_page);//将页插入LRU的活动链表

page_add_anon_rmap(new_page, vma, address);//将匿名页插入到反向映射数据结构

}

…

}

释放cache

Free命令输出的第一行是对应的实实在在的内存，不管是buffer，还是cache。Swap对应磁盘上的交换分区。Kernel会尽量使用RAM做cache，所以一般cache都比较大：

8G的内存，而空闲(free)的内存只有约50M，比较惊人。其实，cached占了3G+。另外，我们看到第三行used列约为4G，是比较大的，确实，该机器上跑了好几个接入服务。

 

Kernel2.6.16之后的版本提供了一种释放cache的机制，通过修改内核参数/proc/sys/vm/drop_caches让内核释放干净的cache。

To free pagecache:

echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches

To free dentries and inodes:

echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches

To free pagecache, dentries and inodes:

echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches

# free

total       used       free     shared    buffers     cached

Mem:       1966220    1676428     289792          0     418900     705216

-/+ buffers/cache:     552312    1413908

Swap:      2104504     131084    1973420

# echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches

# free

total       used       free     shared    buffers     cached

Mem:       1966220     597840    1368380          0        324      65852

-/+ buffers/cache:     531664    1434556

Swap:      2104504     131084    1973420

设置内核参数drop_caches后，cached的值迅速下降。通常来说，Linux会尽量使用可用的RAM，cache过高，是正常的。而手动释放cache会增加I/O开销，导致系统性能下降。

最后，水平有限，欢迎指正和探讨。

主要参考：

《ULK》

http://linux.die.net/man/1/free

http://www.kernel.org/doc/Documentation/sysctl/vm.txt

http://linux-mm.org/Drop_Caches

作者：MrDB 
出处：http://www.cnblogs.com/hustcat/ 
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