内存是计算机中与CPU进行沟通的桥梁,用于暂时存放CPU中的运算数据。Linux 内核的内存管理机制设计得非常精妙,对于 Linux 内核的性能有很大影响。在早期的 Unix 系统中,fork 启动新进程时,由于从父进程往子进程复制内存信息需要消耗一定的时间,因此启动多个进程时存在性能瓶颈。现在的 Linux 内核则通过“写时复制(copy-on-write)”等机制提高了创建进程的效率;也正是因为这个原因,关于 Linux 内存分配、计算、空闲判断有一些特别的地方需要注意。
内存异常: Out of Memory (OOM) Killer
$ dmesg | tail [1880957.563400] Out of memory: Kill process 18694 (perl) score 246 or sacrifice child
最常见的内存管理异常就是 Out of memory 问题。通常是因为某个应用程序大量请求内存导致系统内存不足造成的,触发 Linux 内核里的 Out of Memory (OOM) killer,OOM killer 会杀掉某个进程以释放内存留给系统内核用。它实际上算一种保护机制,不致于让系统立刻崩溃,有些壮士断腕的意思。
内核检测到内存利用不足,就会选择并杀掉某个“bad”进程。如何判断和选择一个 “bad” 进程呢? 算法和思路其实非常朴素(简单):最 bad 的那个进程就是那个占用内存最多的进程。内核源代码详见 linux/mm/oom_kill.c 。
我的内存利用率为什么特别高?
- 内存利用率(概括): free
- 内存利用率(进程): top
内存空闲率 = (Total - Used) / Total = (7982M - 7503M) / 7983M X 100 % = 6 % “真实的” 内存空闲率 = (free + shared + buffers + cached)/ Total = 5860 M / 7983M X 100 % = 73.4 %
实际情况是系统运行正常、不存在内存不足的情况,对于应用程序来说,“真实的” 内存空闲率是 73.4% 。如果要回答这个问题,必须了解内存管理的基础 —— 物理地址空间和逻辑地址空间。
按照用途,内存可以划分为“内核内存”和“用户内存”(用户进程及磁盘高速缓存),包括内核本身在内,程序在访问物理内存时,并不直接指定物理地址,而是指定逻辑地址。CPU 上搭载的硬件 MMU (Memory Management Unit)会参照物理-逻辑地址对应关系表实现对映射后物理地址上的数据访问。x86 架构中逻辑地址空间限制在 4GB ,在 x86_64 架构中则没有此限制。
Linux 内存的分类
用户内存的分类有两组概念比较重要:匿名内存和File-backed内存;Active 和 Inactive 。它们的区别如下:
- 匿名内存:用来存储用户进程计算过程中间的数据,与物理磁盘的文件没有关系;
- File-backed内存:用作磁盘高速缓存,其物理内存与物理磁盘上的文件是对应的;
- Active : 刚被使用过的数据的内存空间;
- Inactive : 包含有长时间未被使用过的数据的内存空间;
Shmem(shared memory)指的就是 tmpfs 所使用的内存 —— 一个基于内存的文件系统,提供可以接近零延迟的快速存储区域。Linux 可以将空闲内存用于缓存,并且在应用程序需要的时候收回。“/+ buffers/cache”: 提供了关于内存利用率更加准确的数值。buffers: buffer cache,用于块设备I/O ; cached: page cache, 用于文件系统。例如:
# free total used free shared buff/cache available Mem: 1012720 168756 23576 52024 820388 754520 Swap: 262140 88 262052 # mkdir /mnt/ramdisk # mount -t tmpfs -o size=512m tmpfs /mnt/ramdisk # vi /etc/fstab # tmpfs /mnt/ramdisk tmpfs nodev,nosuid,noexec,nodiratime,size=1024M 0 0
- 内存利用率(详细):cat /proc/meminfo
$ cat /proc/meminfo MemTotal: 8174352 kB MemFree: 376952 kB Buffers: 527412 kB Cached: 5178924 kB SwapCached: 60 kB Active: 3061760 kB Inactive: 4066588 kB Active(anon): 1112780 kB Inactive(anon): 314156 kB Active(file): 1948980 kB Inactive(file): 3752432 kB Unevictable: 6724 kB Mlocked: 6724 kB SwapTotal: 16779884 kB SwapFree: 16777400 kB Dirty: 376 kB Writeback: 0 kB AnonPages: 1428844 kB Mapped: 64632 kB Shmem: 644 kB Slab: 557384 kB SReclaimable: 338272 kB SUnreclaim: 219112 kB KernelStack: 4024 kB PageTables: 12440 kB NFS_Unstable: 0 kB Bounce: 0 kB WritebackTmp: 0 kB CommitLimit: 20867060 kB Committed_AS: 2406484 kB VmallocTotal: 34359738367 kB VmallocUsed: 111536 kB VmallocChunk: 34359455060 kB HugePages_Total: 0 HugePages_Free: 0 HugePages_Rsvd: 0 HugePages_Surp: 0 Hugepagesize: 2048 kB DirectMap4k: 6384 kB DirectMap2M: 2080768 kB DirectMap1G: 6291456 kB
Linux 内存的计算
各类内存的计算公式如下: >Shmem = 磁盘高速缓存(buffers/cached)- Filed-backed内存(file) > = 匿名内存(anon)- AnonPages >用户内存 = Active(file) + Inactive(file) + Active(anon) + Inactive(anon) + Unevictable > = buffers + cached + AnonPages
>内核内存 = Memtotal - (MemFree + Active + Inactive + Unevictable)
$ cat /proc/meminfo | grep Active Active: 3065880 kB Active(anon): 1116748 kB Active(file): 1949132 kB -bash-4.3$ -bash-4.3$ -bash-4.3$ cat /proc/meminfo | grep InActive -bash-4.3$ -bash-4.3$ cat /proc/meminfo | grep Inactive Inactive: 4067224 kB Inactive(anon): 314156 kB Inactive(file): 3753068 kB -bash-4.3$ -bash-4.3$ -bash-4.3$ cat /proc/meminfo | grep anon Active(anon): 1120720 kB Inactive(anon): 314156 kB -bash-4.3$ -bash-4.3$ cat /proc/meminfo | grep file Active(file): 1949236 kB Inactive(file): 3753096 kB -bash-4.3$
Linux 进程的内存
-bash-4.3$ ps -e -o 'pid,comm,args,pcpu,rsz,vsz,stime,user,uid' | grep slview | sort -nrk5 30029 java /slview/jdk150/jdk1.5.0_06/ 2.5 1337496 2678836 Dec07 slview 54322 31574 bash -bash 0.0 2028 70592 17:08 slview 54322 23398 crond crond 0.0 1688 102180 16:10 slview 54322 1123 crond crond 0.0 1688 102180 Dec10 slview 54322 28252 crond crond 0.0 1596 102028 16:45 slview 54322
执行“ps aux” 后输出的各进程的 RSS (resident set size), 表示进程占用内存的大小,单位是KB。 需要注意的是,RSS 值实际上是基于 pmap 命令,表示“该进程正在使用的物理内存的总和”。pmap 提供了进程的内存映射,也可以支持多个进程的内存状态显示(pmap pid1 pid2 pid3)。与 ldd 命令类似,pmap 命令可以查看到程序调用的路径。如果查看一个已经运行,但是又不知道程序路径的程序,使用pmap更快捷。
$ pmap -x 30029 30029: /slview/jdk150/jdk1.5.0_06/bin/java -com.apache.Test Address Kbytes RSS Dirty Mode Mapping 0000000008048000 60 48 0 r-x-- java 0000000008057000 8 8 8 rwx-- java 0000000009f1d000 23184 23140 23140 rwx-- [ anon ] 000000004d1f1000 108 96 0 r-x-- ld-2.5.so 000000004d20c000 4 4 4 r-x-- ld-2.5.so 000000004d20d000 4 4 4 rwx-- ld-2.5.so 000000004d214000 1356 548 0 r-x-- libc-2.5.so 000000004d367000 8 8 8 r-x-- libc-2.5.so 00007f581e51d000 16 16 0 r--s- huanan-product-2.6.1-snapshots.jar 00007f581e521000 24 24 0 r--s- dt.jar 00007f581e527000 36 36 0 r--s- gnome-java-bridge.jar 00007f581e530000 32 32 8 rw-s- 13228 00007f581e538000 4 4 4 rw--- [ anon ] 00007f581e539000 4 4 0 r---- [ anon ] 00007f581e53a000 8 8 8 rw--- [ anon ] 00007fffe9eb7000 84 32 32 rw--- [ stack ] 00007fffe9fff000 4 4 0 r-x-- [ anon ] ffffffffff600000 4 0 0 r-x-- [ anon ] (部分省略) ---------------- ------ ------ ------ total kB 2484196 36180 26880
/proc/PID/status 支持的选项有:
- VmData: data段大小
- VmExe: text段大小
- Vmlib: 共享库的使用量
- VmRSS: 物理内存使用量
- VmSwap: 交换空间的使用量
$ cat /proc/30029/status Name: java State: S (sleeping) Tgid: 30029 Pid: 30029 PPid: 29983 TracerPid: 0 Uid: 54322 54322 54322 54322 Gid: 54323 54323 54323 54323 FDSize: 8192 Groups: 10 54323 VmPeak: 2754032 kB VmSize: 2678836 kB VmLck: 0 kB VmHWM: 1337912 kB VmRSS: 1337512 kB VmData: 2575692 kB VmStk: 1012 kB VmExe: 60 kB VmLib: 101564 kB VmPTE: 3048 kB Threads: 98 SigQ: 0/63825 SigPnd: 0000000000000000 ShdPnd: 0000000000000000 SigBlk: 0000000000000004 SigIgn: 0000000000000001 SigCgt: 1000000180005cce CapInh: 0000000000000000 CapPrm: 0000000000000000 CapEff: 0000000000000000 CapBnd: ffffffffffffffff Cpus_allowed: ffffffff Cpus_allowed_list: 0-31 Mems_allowed: 00000000, Mems_allowed_list: 0 voluntary_ctxt_switches: 12468 nonvoluntary_ctxt_switches: 19
Linux 应用内存分配
类似 Java 之类的虚拟机应用程序可以设置内存参数,例如: Xms128m JVM初始分配的堆内存 Xmx512m JVM最大允许分配的堆内存 XX:PermSize=64M JVM初始分配的非堆内存 XX:MaxPermSize=128M JVM最大允许分配的非堆内存
如果该应用需要较大的内存空间,可以调整为 -Xmx1024m、-Xmx2048m 以保障应用程序的运行性能,XX:MaxPermSize 设置过小会导致内存溢出,java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space。但是 需要特别注意 的是:Xmx 绝对不能超过最大物理内存,或者说需要保留一定的剩余内存空间,否则将有可能导致其它进程因为没有可用内存而阻塞,甚至无法登陆机器 。
正如摔跤游戏一样,内存管理的法则就是让进程在 留有余地 的前提下搏杀。
扩展阅读:Linux 操作系统
推荐:电子书《Linux Perf Master》
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