通過 free 命令理解linux 內存管理

簡介

linux 下面查看內存狀態可以使用 free 命令，但是如果不瞭解 linux 內存管理機制的話，對輸出也會摸不着頭腦，這篇文章就說明一下各個數據的意思。

下面是我電腦上虛擬機，直接使用 free 命令的數據結果。

vagrant@precise64:~$ free
             total       used       free     shared    buffers     cached
Mem:        374256     330952      43304          0      14400     238128
-/+ buffers/cache:      78424     295832
Swap:       786428       2224     784204

所有的數據默認都是 KB，第一行有六個值：

total：物理內存大小，就是機器實際的內存
used：已使用的內存大小，這個值包括了 cached 和應用程序實際使用的內存
free：未被使用的內存大小
shared：共享內存大小，是進程間通信的一種方式
buffers：被緩衝區佔用的內存大小，後面會詳細介紹
cached：被緩存佔用的內存大小，後面會詳細介紹

其中有

total = used + free

下面一行，代表應用程序實際使用的內存：

前一個值表示 - buffers/cached，即 used - buffers/cached，表示應用程序實際使用的內存
後一個值表示 + buffers/cached，即 free + buffers/cached，表示理論上都可以被使用的內存

不難看出來，這兩個值加起來也是 total。

第三行表示 swap 的使用情況：總量、使用的和未使用的。

介紹完了這些數字，要想比較深入的瞭解它們的含義，還要知道其中的三個概念：cache， buffer 和 swap。

cache：讀文件使用，從硬盤-->到cache-->內存

buffer：寫文件使用，往硬盤裏寫<--buffer<--內存

cache

cache 就是緩存的意思。當系統讀文件的時候，都是把數據從硬盤讀到內存裏，因爲硬盤比內存慢很多，所以這個過程會很耗時。爲了提高效率，linux 會把讀進來的文件在內存中緩存下來（因爲讀取相近部分的內容是程序很常見的情況），即使程序結束，cache 也不會被自動釋放。所以呢，如果有程序進行大量的讀文件操作，你會發現內存使用率就上去了。

不過也不用擔心，如果其他程序使用要使用內存的時候，linux 也會把這些沒人使用的 cache 釋放掉，給其他運行的程序使用。當然你也可以手動去釋放掉這部分內存：

echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches

buffer

buffer 的意思和 cache 相近，不過稍有區別。考慮內存寫文件到硬盤的過程，因爲硬盤太慢了，如果內存要等待數據寫完之後才繼續後面的操作，實在是效率很低的事情，也會影響程序的運行速度。所以就有了 buffer，寫到硬盤的數據會放到 buffer 裏面，內存很快把數據寫到 buffer，可以繼續其他的工作，而硬盤可以在後臺慢慢讀出 buffer 中的數據，保存起來。這樣就提高了讀寫的效率！

講一個大家會經常遇到的例子，當我們把電腦裏中的文件拷貝到 U 盤的時候，如果文件特別大，大家會遇到這種情況：明明看到文件已經拷貝完了，但系統還是會提示 U 盤正在使用中。這就是 buffer 的原因，拷貝程序把東西放到 buffer 之後，但是 U 盤還沒有寫完。

同樣的，可以手動來 flush buffer 的內容，使用的命令是 sync。

swap

swap 是實現虛擬內存的重要概念。如果系統的負載太大，內存被用完，可能會出現嚴重的問題。swap 就是把硬盤上一部分空間當做內存使用，正在運行程序會使用物理內存，把沒有正在使用的內存放到硬盤，這叫做 swap out；而把硬盤 swap 部分的內存重新放到物理內存中，叫做 swap in。

swap 可以再邏輯上擴大內存空間，但是會造成系統變慢，因爲硬盤讀寫速度很慢。linux 系統比較智能，會把那些不怎麼頻繁使用的內存放到 swap。

做實驗驗證一下

說了這麼多，還是做個試驗更清楚，也更有說服力。下面的試驗在 virtualbox 創建的虛擬機 ubuntu 12.04 上進行的，基本的系統信息如下：

root@precise64:/home/vagrant/test# uname -a
Linux precise64 3.2.0-23-generic #36-Ubuntu SMP Tue Apr 10 20:39:51 UTC 2012 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

最開始的時候，先查看一下內存信息（我使用了 -m 參數，讓所有的數據都是以 M 爲單位）：

root@precise64:/home/vagrant/test# free -m
             total       used       free     shared    buffers     cached
Mem:           365         69        295          0          0          5
-/+ buffers/cache:         64        301
Swap:          767          2        765

從上面可以看到：

虛擬機內存爲 365M
其中使用 69M，其中 64M 是真正使用的，還有 5M 是 cache

好，我們用 dd 命令創建一個 50M 的文件試試：

dd if=/dev/zero of=test.log bs=1M count=50

查看一下剛創建的文件：

root@precise64:/home/vagrant/test# ls -lh
total 50M
-rw-r--r-- 1 root root 50M Oct  1 09:03 test.log

再來看一下內存信息：

root@precise64:/home/vagrant/test# free -m
             total       used       free     shared    buffers     cached
Mem:           365        121        244          0          0         55
-/+ buffers/cache:         65        300
Swap:          767          2        765

可以看到 cache 的內容變成了 55M（多出來的 50M 就是我們剛剛創建出來的文件大小），其他的信息都沒有變化。

現在這部分文件都在內存裏，我們讀取的話就會很快：

root@precise64:/home/vagrant/test# time cat test.log >/dev/null

real	0m0.008s
user	0m0.004s
sys	0m0.008s

然後手動清理一下 cache：

echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches

我們在讀一次相同的文件：

root@precise64:/home/vagrant/test# time cat test.log >/dev/null

real	0m0.108s
user	0m0.000s
sys	0m0.040s

時間已經從剛纔的 0.008s 變成了 0.108s，速度慢了很多。

再看一下內存，發現內存又恢復到原樣（有 1M 的 cache 減少，可能其他的 cache 內容被剛纔的命令也一同清理了）：

root@precise64:/home/vagrant/test# free -m
             total       used       free     shared    buffers     cached
Mem:           365         68        296          0          0          4
-/+ buffers/cache:         64        301
Swap:          767          2        765

現在的問題來了：如果我們創建的文件大小超過了物理內存，情況會怎麼樣呢？

我們同樣可以做一下實驗，因爲內存只有 365M，就創建一個 500M 的文件：

dd if=/dev/zero of=test.log bs=1M count=500

然後來看一下內存：

root@precise64:/home/vagrant/test# free -m
             total       used       free     shared    buffers     cached
Mem:           365        359          5          0          0        289
-/+ buffers/cache:         70        295
Swap:          767          2        765