linux 手动回收内存机制

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所属分类：系统知识 系统运维
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遇到了好多次有人反映说我系统内存不够用了，然后就给我top的total结果，其实这样不足于说明内存不够用了，其实，在Linux系统上查看内存使用状况最常用的命令是free，其中buffers和cache通常被认为是可以回收的，free执行命令结果如下：

linux 手动回收内存机制

 

当内存紧张的时候，有一个常用的手段就是使用下面的命令来手工回收cache：

echo "3"> /proc/sys/vm/drop_caches

注：drop_caches接受以下三种值：

  • To free pagecache:
    echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches
  • To free reclaimable slab objects (includes dentries and inodes):
    echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches
  • To free slab objects and pagecache:
    echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches

当我们考虑有多少cache可供回收的时候，首先要知道的是：不同版本的”free”命令计算cache值的算法不同，据不完全统计举例如下：

  1. 版本：procps-3.2.8-36
    cache值等于/proc/meminfo中的”Cached”；
  2. 版本：procps-3.3.9-10.1
    cache值等于/proc/meminfo的 [Cached + SReclaimable]；
  3. 版本：procps-ng-3.3.10-3
    cache值等于/proc/meminfo的 [Cached + Slab]。

注：
/proc/meminfo中的”Cached”表示page cache所占用的内存大小；
“Slab”表示内核Slab所占用的内存大小，slab有的可回收有的不可回收，其中可回收的通过”SReclaimable”表示，不可回收的通过”SUnreclaim”表示。
所以，对上述第2、3版本的”free”命令，”echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches”对其中的SReclaimable或Slab部分是不起作用的。

即便仅考虑page cache (对应于 /proc/meminfo 的”Cached”)，也并不是所有的页面都可以回收的：

首先，drop_caches只回收clean pages，不回收dirty pages，参见https://www.kernel.org/doc/Documentation/sysctl/vm.txt
所以如果想回收更多的cache，应该在drop_caches之前先执行”sync”命令，把dirty pages变成clean pages。

其次，即使提前执行了sync命令，drop_cache操作也不可能把cache值降到0，甚至有时候cache值几乎没有下降，这是为什么呢？因为page cache中包含的tmpfs和共享内存是不能通过drop_caches回收的。

Page cache用于缓存文件里的数据，不仅包括普通的磁盘文件，还包括了tmpfs文件，tmpfs文件系统是将一部分内存空间模拟成文件系统，由于背后并没有对应着磁盘，无法进行paging(换页)，只能进行swapping(交换)，在执行drop_cache操作的时候tmpfs对应的page cache并不会回收。

我们通过实验来观察tmpfs文件对free命令的影响：

linux 手动回收内存机制

结论：
tmpfs占用的page cache是不能通过drop_caches操作回收的，tmpfs占用的page cache同时也算进了”shared”中，也就是说，被视为共享内存。

Linux kernel利用tmpfs实现共享内存（shared memory），参见：
https://www.kernel.org/doc/Documentation/filesystems/tmpfs.txt所以共享内存也和tmpfs一样，属于page cache，但又不能被drop_caches回收。这里所说的共享内存包括：

  • SysV shared memory
    是通过shmget申请的共享内存，用”ipcs -m”或”cat /proc/sysvipc/shm”查看；
  • POSIX shared memory
    是通过shm_open申请的共享内存，用”ls /dev/shm”查看；
  • shared anonymous mmap
    通过mmap(…MAP_ANONYMOUS|MAP_SHARED…)申请的内存，可以用”pmap -x”或者”cat /proc/<PID>/maps”查看；
    注：mmap调用参数如果不是MAP_ANONYMOUS|MAP_SHARED，则不属于tmpfs，比如MAP_ANONYMOUS|MAP_PRIVATE根本不属于page cache而是属于AnonPages，MAP_SHARED属于普通文件，对应的page cache可以回写硬盘并回收。

我们通过一个实验来观察共享内存对free命令的影响。以下程序通过shared anonymous mmap方式申请256MB大小的内存：

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#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#define MAP_SIZE 268435456
int main()
{
    char *addr;
    ssize_t s;
    addr = mmap(NULL, MAP_SIZE, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_ANONYMOUS|MAP_SHARED, -1, 0);
    if (addr == MAP_FAILED) {
        fprintf(stderr, "mmap failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    memset(addr, 9, MAP_SIZE);
    printf("mmap done, memset done, check free output. Press any key to exit...\n");
    getchar();
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

实验过程如下：

 

linux 手动回收内存机制

结论：cache值包含了共享内存的大小，然而drop_caches是不能回收它的。
注：上例是shared anonymous mmap，如果是SysV shared memory或IPC shared memory，结果是一样的。

总结：为什么drop_caches操作不能回收所有的page cache？因为

  • dirty pages不能回收；
  • 共享内存和tmpfs不能回收(注意观察free命令显示的shared值)；
  • 不同版本的free命令有不同的计算cache值的方法，有的包含了slab或SReclaimable，”echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches”是不能回收slab的，”echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches”也只是回收slab中的SReclaimable部分。
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