linux内存占用问题调查——cached

柔情只为你懂 2021-06-24 15:56 1182阅读 0赞

一、问题描述：

线上centos服务器查看内容使用情况：

[root@t-tomcat-online105-jylt ~]# free -g
                 total       used       free     shared    buffers     cached
    Mem:            31         28          2          0          0         27
    -/+ buffers/cache:          1         30
    Swap:            3          0          3

系统总内存32g，看Mem下的free大小为2。系统上没有跑任务服务，用ps大概统计下所有程序占用的总内存：

# ps aux | awk '{mem += $6} END {print mem/1024/1024}'
    0.127075

发现占用内存也非常少。那么，内存到底被哪些隐藏的设置占用着？

二、问题分析：

根据free -g 命令可以看出来，Mem/cached占用了27g，而Mem/used中包含了系统使用的+buffer+cache+slab。所以，到这里就明朗化了，被占用的内存都被cached占有了。

1）可以这么理解：在linux的内存分配机制中，优先使用物理内存，当物理内存还有空闲时（还够用），不会释放其占用内存，就算占用内存的程序已经被关闭了，该程序所占用的内存用来做缓存使用，对于开启过的程序、或是读取刚存取过得数据会比较快。

2）因此查看目前进程正在实际被使用的内存，是used-(buffers+cache)，也可以认为如果swap没有大量使用，mem还是够用的，只有mem被当前进程实际占用完（没有了buffers和cache），才会使用到swap的。或者可以通过free命令的第二行来看剩余内存大小，第二行的free列表示系统未使用的内存+buffer+cached。

三、Linux内存中的Cache真的能被回收么？

1、什么是buffer/cache？  
  
       buffer和cache是两个在计算机技术中被用滥的名词，放在不通语境下会有不同的意义。在Linux的内存管理中，这里的buffer指Linux内存的：Buffer cache。这里的cache指Linux内存中的：Page cache。翻译成中文可以叫做缓冲区缓存和页面缓存。在历史上，它们一个（buffer）被用来当成对io设备写的缓存，而另一个（cache）被用来当作对io设备的读缓存，这里的io设备，主要指的是块设备文件和文件系统上的普通文件。但是现在，它们的意义已经不一样了。在当前的内核中，page cache顾名思义就是针对内存页的缓存，说白了就是，如果有内存是以page进行分配管理的，都可以使用page cache作为其缓存来管理使用。当然，不是所有的内存都是以页（page）进行管理的，也有很多是针对块（block）进行管理的，这部分内存使用如果要用到cache功能，则都集中到buffer cache中来使用。（从这个角度出发，是不是buffer cache改名叫做block cache更好？）然而，也不是所有块（block）都有固定长度，系统上块的长度主要是根据所使用的块设备决定的，而页长度在X86上无论是32位还是64位都是4k。  
  
明白了这两套缓存系统的区别，就可以理解它们究竟都可以用来做什么了。  
  
**1）什么是page cache**  
Page cache主要用来作为文件系统上的文件数据的缓存来用，尤其是针对当进程对文件有read／write操作的时候。如果你仔细想想的话，作为可以映射文件到内存的系统调用：mmap是不是很自然的也应该用到page cache？在当前的系统实现里，page cache也被作为其它文件类型的缓存设备来用，所以事实上page cache也负责了大部分的块设备文件的缓存工作。  
  
**2）什么是buffer cache**  
Buffer cache则主要是设计用来在系统对块设备进行读写的时候，对块进行数据缓存的系统来使用。这意味着某些对块的操作会使用buffer cache进行缓存，比如我们在格式化文件系统的时候。一般情况下两个缓存系统是一起配合使用的，比如当我们对一个文件进行写操作的时候，page cache的内容会被改变，而buffer cache则可以用来将page标记为不同的缓冲区，并记录是哪一个缓冲区被修改了。这样，内核在后续执行脏数据的回写（writeback）时，就不用将整个page写回，而只需要写回修改的部分即可。

2、如何回收cache？  
       Linux内核会在内存将要耗尽的时候，触发内存回收的工作，以便释放出内存给急需内存的进程使用。一般情况下，这个操作中主要的内存释放都来自于对buffer／cache的释放。尤其是被使用更多的cache空间。既然它主要用来做缓存，只是在内存够用的时候加快进程对文件的读写速度，那么在内存压力较大的情况下，当然有必要清空释放cache，作为free空间分给相关进程使用。所以一般情况下，我们认为buffer/cache空间可以被释放，这个理解是正确的。  
  
但是这种清缓存的工作也并不是没有成本。理解cache是干什么的就可以明白清缓存必须保证cache中的数据跟对应文件中的数据一致，才能对cache进行释放。所以伴随着cache清除的行为的，一般都是系统IO飙高。因为内核要对比cache中的数据和对应硬盘文件上的数据是否一致，如果不一致需要写回，之后才能回收。  
  
在系统中除了内存将被耗尽的时候可以清缓存以外，我们还可以使用下面这个文件来人工触发缓存清除的操作，方法是：

echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches

当然，这个文件可以设置的值分别为1、2、3。它们所表示的含义为：  
echo 1 > /proc/sys/vm/drop\_caches:表示清除pagecache。  
  
echo 2 > /proc/sys/vm/drop\_caches:表示清除回收slab分配器中的对象（包括目录项缓存和inode缓存）。slab分配器是内核中管理内存的一种机制，其中很多缓存数据实现都是用的pagecache。  
  
echo 3 > /proc/sys/vm/drop\_caches:表示清除pagecache和slab分配器中的缓存对象。

3、cache都能被回收么？  
  
我们分析了cache能被回收的情况，那么有没有不能被回收的cache呢？当然有。我们先来看第一种情况：  
  
1）tmpfs

大家知道Linux提供一种“临时”文件系统叫做tmpfs，它可以将内存的一部分空间拿来当做文件系统使用，使内存空间可以当做目录文件来用。现在绝大多数Linux系统都有一个叫做/dev/shm的tmpfs目录，就是这样一种存在。当然，我们也可以手工创建一个自己的tmpfs，方法如下：

[root@tencent64 ~]# mkdir /tmp/tmpfs
    [root@tencent64 ~]# mount -t tmpfs -o size=20G none /tmp/tmpfs/
    
    [root@tencent64 ~]# df
    Filesystem           1K-blocks      Used Available Use% Mounted on
    /dev/sda1             10325000   3529604   6270916  37% /
    /dev/sda3             20646064   9595940  10001360  49% /usr/local
    /dev/mapper/vg-data  103212320  26244284  71725156  27% /data
    tmpfs                 66128476  14709004  51419472  23% /dev/shm
    none                  20971520         0  20971520   0% /tmp/tmpfs

于是我们就创建了一个新的tmpfs，空间是20G，我们可以在/tmp/tmpfs中创建一个20G以内的文件。如果我们创建的文件实际占用的空间是内存的话，那么这些数据应该占用内存空间的什么部分呢？根据pagecache的实现功能可以理解，既然是某种文件系统，那么自然该使用pagecache的空间来管理。我们试试是不是这样？

[root@tencent64 ~]# free -g
                 total       used       free     shared    buffers     cached
    Mem:           126         36         89          0          1         19
    -/+ buffers/cache:         15        111
    Swap:            2          0          2
    [root@tencent64 ~]# dd if=/dev/zero of=/tmp/tmpfs/testfile bs=1G count=13
    13+0 records in
    13+0 records out
    13958643712 bytes (14 GB) copied, 9.49858 s, 1.5 GB/s
    [root@tencent64 ~]# 
    [root@tencent64 ~]# free -g
                 total       used       free     shared    buffers     cached
    Mem:           126         49         76          0          1         32
    -/+ buffers/cache:         15        110
    Swap:            2          0          2

我们在tmpfs目录下创建了一个13G的文件，并通过前后free命令的对比发现，cached增长了13G，说明这个文件确实放在了内存里并且内核使用的是cache作为存储。再看看我们关心的指标： -/+ buffers/cache那一行。我们发现，在这种情况下free命令仍然提示我们有110G内存可用，但是真的有这么多么？我们可以人工触发内存回收看看现在到底能回收多少内存：

[root@tencent64 ~]# echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
    [root@tencent64 ~]# free -g
                 total       used       free     shared    buffers     cached
    Mem:           126         43         82          0          0         29
    -/+ buffers/cache:         14        111
    Swap:            2          0          2

可以看到，cached占用的空间并没有像我们想象的那样完全被释放，其中13G的空间仍然被/tmp/tmpfs中的文件占用的。当然，我的系统中还有其他不可释放的cache占用着其余16G内存空间。那么tmpfs占用的cache空间什么时候会被释放呢？是在其文件被删除的时候.如果不删除文件，无论内存耗尽到什么程度，内核都不会自动帮你把tmpfs中的文件删除来释放cache空间。

[root@tencent64 ~]# rm /tmp/tmpfs/testfile 
    [root@tencent64 ~]# free -g
                 total       used       free     shared    buffers     cached
    Mem:           126         30         95          0          0         16
    -/+ buffers/cache:         14        111
    Swap:            2          0          2

这是我们分析的第一种cache不能被回收的情况

2）共享内存

共享内存是系统提供给我们的一种常用的进程间通信（IPC）方式，但是这种通信方式不能在shell中申请和使用，所以我们需要一个简单的测试程序，代码如下：

[root@tencent64 ~]# cat shm.c 
    
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sys/ipc.h>
    #include <sys/shm.h>
    #include <string.h>
    
    #define MEMSIZE 2048*1024*1023
    
    int
    main()
    {
        int shmid;
        char *ptr;
        pid_t pid;
        struct shmid_ds buf;
        int ret;
    
        shmid = shmget(IPC_PRIVATE, MEMSIZE, 0600);
        if (shmid<0) {
            perror("shmget()");
            exit(1);
        }
    
        ret = shmctl(shmid, IPC_STAT, &buf);
        if (ret < 0) {
            perror("shmctl()");
            exit(1);
        }
    
        printf("shmid: %d\n", shmid);
        printf("shmsize: %d\n", buf.shm_segsz);
    
        buf.shm_segsz *= 2;
    
        ret = shmctl(shmid, IPC_SET, &buf);
        if (ret < 0) {
            perror("shmctl()");
            exit(1);
        }
    
        ret = shmctl(shmid, IPC_SET, &buf);
        if (ret < 0) {
            perror("shmctl()");
            exit(1);
        }
    
        printf("shmid: %d\n", shmid);
        printf("shmsize: %d\n", buf.shm_segsz);
    
    
        pid = fork();
        if (pid<0) {
            perror("fork()");
            exit(1);
        }
        if (pid==0) {
            ptr = shmat(shmid, NULL, 0);
            if (ptr==(void*)-1) {
                perror("shmat()");
                exit(1);
            }
            bzero(ptr, MEMSIZE);
            strcpy(ptr, "Hello!");
            exit(0);
        } else {
            wait(NULL);
            ptr = shmat(shmid, NULL, 0);
            if (ptr==(void*)-1) {
                perror("shmat()");
                exit(1);
            }
            puts(ptr);
            exit(0);
        }
    }

程序功能很简单，就是申请一段不到2G共享内存，然后打开一个子进程对这段共享内存做一个初始化操作，父进程等子进程初始化完之后输出一下共享内存的内容，然后退出。但是退出之前并没有删除这段共享内存。我们来看看这个程序执行前后的内存使用：

[root@tencent64 ~]# free -g
                 total       used       free     shared    buffers     cached
    Mem:           126         30         95          0          0         16
    -/+ buffers/cache:         14        111
    Swap:            2          0          2
    [root@tencent64 ~]# ./shm 
    shmid: 294918
    shmsize: 2145386496
    shmid: 294918
    shmsize: -4194304
    Hello!
    [root@tencent64 ~]# free -g
                 total       used       free     shared    buffers     cached
    Mem:           126         32         93          0          0         18
    -/+ buffers/cache:         14        111
    Swap:            2          0          2

cached空间由16G涨到了18G。那么这段cache能被回收么？继续测试：

[root@tencent64 ~]# echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
    [root@tencent64 ~]# free -g
                 total       used       free     shared    buffers     cached
    Mem:           126         32         93          0          0         18
    -/+ buffers/cache:         14        111
    Swap:            2          0          2

结果是仍然不可回收。大家可以观察到，这段共享内存即使没人使用，仍然会长期存放在cache中，直到其被删除。删除方法有两种，一种是程序中使用shmctl()去IPC\_RMID，另一种是使用ipcrm命令。我们来删除试试：

[root@tencent64 ~]# ipcs -m
    
    ------ Shared Memory Segments --------
    key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status      
    0x00005feb 0          root       666        12000      4                       
    0x00005fe7 32769      root       666        524288     2                       
    0x00005fe8 65538      root       666        2097152    2                       
    0x00038c0e 131075     root       777        2072       1                       
    0x00038c14 163844     root       777        5603392    0                       
    0x00038c09 196613     root       777        221248     0                       
    0x00000000 294918     root       600        2145386496 0                       
    
    [root@tencent64 ~]# ipcrm -m 294918
    [root@tencent64 ~]# ipcs -m
    
    ------ Shared Memory Segments --------
    key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status      
    0x00005feb 0          root       666        12000      4                       
    0x00005fe7 32769      root       666        524288     2                       
    0x00005fe8 65538      root       666        2097152    2                       
    0x00038c0e 131075     root       777        2072       1                       
    0x00038c14 163844     root       777        5603392    0                       
    0x00038c09 196613     root       777        221248     0                       
    
    [root@tencent64 ~]# free -g
                 total       used       free     shared    buffers     cached
    Mem:           126         30         95          0          0         16
    -/+ buffers/cache:         14        111
    Swap:            2          0          2

删除共享内存后，cache被正常释放了。这个行为与tmpfs的逻辑类似。内核底层在实现共享内存（shm）、消息队列（msg）和信号量数组（sem）这些POSIX:XSI的IPC机制的内存存储时，使用的都是tmpfs。这也是为什么共享内存的操作逻辑与tmpfs类似的原因。当然，一般情况下是shm占用的内存更多，所以我们在此重点强调共享内存的使用。说到共享内存，Linux还给我们提供了另外一种共享内存的方法，就是：

3）mmap  
  
mmap()是一个非常重要的系统调用，这仅从mmap本身的功能描述上是看不出来的。从字面上看，mmap就是将一个文件映射进进程的虚拟内存地址，之后就可以通过操作内存的方式对文件的内容进行操作。但是实际上这个调用的用途是很广泛的。当malloc申请内存时，小段内存内核使用sbrk处理，而大段内存就会使用mmap。当系统调用exec族函数执行时，因为其本质上是将一个可执行文件加载到内存执行，所以内核很自然的就可以使用mmap方式进行处理。我们在此仅仅考虑一种情况，就是使用mmap进行共享内存的申请时，会不会跟shmget()一样也使用cache？  
  
  
同样，我们也需要一个简单的测试程序：

[root@tencent64 ~]# cat mmap.c 
    #include <stdlib.h>
    #include <stdio.h>
    #include <strings.h>
    #include <sys/mman.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <unistd.h>
    
    #define MEMSIZE 1024*1024*1023*2
    #define MPFILE "./mmapfile"
    
    int main()
    {
        void *ptr;
        int fd;
    
        fd = open(MPFILE, O_RDWR);
        if (fd < 0) {
            perror("open()");
            exit(1);
        }
    
        ptr = mmap(NULL, MEMSIZE, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON, fd, 0);
        if (ptr == NULL) {
            perror("malloc()");
            exit(1);
        }
    
        printf("%p\n", ptr);
        bzero(ptr, MEMSIZE);
    
        sleep(100);
    
        munmap(ptr, MEMSIZE);
        close(fd);
    
        exit(1);
    }

这次我们干脆不用什么父子进程的方式了，就一个进程，申请一段2G的mmap共享内存，然后初始化这段空间之后等待100秒，再解除影射所以我们需要在它sleep这100秒内检查我们的系统内存使用，看看它用的是什么空间？当然在这之前要先创建一个2G的文件./mmapfile。结果如下：

[root@tencent64 ~]# dd if=/dev/zero of=mmapfile bs=1G count=2
    [root@tencent64 ~]# echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
    [root@tencent64 ~]# free -g
                 total       used       free     shared    buffers     cached
    Mem:           126         30         95          0          0         16
    -/+ buffers/cache:         14        111
    Swap:            2          0          2

然后执行测试程序：

[root@tencent64 ~]# ./mmap &
    [1] 19157
    0x7f1ae3635000
    [root@tencent64 ~]# free -g
                 total       used       free     shared    buffers     cached
    Mem:           126         32         93          0          0         18
    -/+ buffers/cache:         14        111
    Swap:            2          0          2
    
    [root@tencent64 ~]# echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
    [root@tencent64 ~]# free -g
                 total       used       free     shared    buffers     cached
    Mem:           126         32         93          0          0         18
    -/+ buffers/cache:         14        111
    Swap:            2          0          2

我们可以看到，在程序执行期间，cached一直为18G，比之前涨了2G，并且此时这段cache仍然无法被回收。然后我们等待100秒之后程序结束。

[root@tencent64 ~]# 
    [1]+  Exit 1                  ./mmap
    [root@tencent64 ~]# 
    [root@tencent64 ~]# free -g
                 total       used       free     shared    buffers     cached
    Mem:           126         30         95          0          0         16
    -/+ buffers/cache:         14        111
    Swap:            2          0          2

程序退出之后，cached占用的空间被释放。这样我们可以看到，使用mmap申请标志状态为MAP\_SHARED的内存，内核也是使用的cache进行存储的。在进程对相关内存没有释放之前，这段cache也是不能被正常释放的。实际上，mmap的MAP\_SHARED方式申请的内存，在内核中也是由tmpfs实现的。由此我们也可以推测，由于共享库的只读部分在内存中都是以mmap的MAP\_SHARED方式进行管理，实际上它们也都是要占用cache且无法被释放的。

最后  
  
我们通过三个测试例子，发现Linux系统内存中的cache并不是在所有情况下都能被释放当做空闲空间用的。并且也也明确了，即使可以释放cache，也并不是对系统来说没有成本的。总结一下要点，我们应该记得这样几点：  
  
当cache作为文件缓存被释放的时候会引发IO变高，这是cache加快文件访问速度所要付出的成本。  
tmpfs中存储的文件会占用cache空间，除非文件删除否则这个cache不会被自动释放。  
使用shmget方式申请的共享内存会占用cache空间，除非共享内存被ipcrm或者使用shmctl去IPC\_RMID，否则相关的cache空间都不会被自动释放。  
使用mmap方法申请的MAP\_SHARED标志的内存会占用cache空间，除非进程将这段内存munmap，否则相关的cache空间都不会被自动释放。  
实际上shmget、mmap的共享内存，在内核层都是通过tmpfs实现的，tmpfs实现的存储用的都是cache。  
当理解了这些的时候，希望大家对free命令的理解可以达到我们说的第三个层次。我们应该明白，内存的使用并不是简单的概念，cache也并不是真的可以当成空闲空间用的。如果我们要真正深刻理解你的系统上的内存到底使用的是否合理，是需要理解清楚很多更细节知识，并且对相关业务的实现做更细节判断的。我们当前实验场景是Centos 6的环境，不同版本的Linux的free现实的状态可能不一样，大家可以自己去找出不同的原因。  
  
当然，本文所述的也不是所有的cache不能被释放的情形。那么，在你的应用场景下，还有那些cache不能被释放的场景呢？

参考：http://liwei.life/2016/04/26/linux%E5%86%85%E5%AD%98%E4%B8%AD%E7%9A%84cache%E7%9C%9F%E7%9A%84%E8%83%BD%E8%A2%AB%E5%9B%9E%E6%94%B6%E4%B9%88%EF%BC%9F/

http://blog.yufeng.info/archives/2456