Linux free 命令的使用与理解
在使用 linux 操作系统时，常见的需求就是查看内存使用情况，比如分析系统健康状况，或者确定机器是否可以部署更多新的业务等等，这是一个常见的需求。
解决这个问题也很简单，多数云厂商提供的控制台都会展示各种机器指标的监控信息，内存使用率监控肯定是必不可少的。对 linux 了解一点的，也可以通过 free 命令来查看更详细的信息。当执行 free 命令的时候，不知道是否和我有同样的困惑：
- 打印的这么多列具体都代表什么意思？这些列之间的关系是怎样的？
- 内存可用率要看哪个指标？free 还是 available？
一、free 命令的基础使用
基础使用：free [options]
常用参数：
-hhuman-readable 格式打印-w把 cache & buffer 分开打印-tshow total for RAM + swap
$ free -wth
total used free shared buffers cache available
Mem: 125G 6.5G 87G 1.3G 3.5M 30G 116G
Swap: 0B 0B 0B
Total: 125G 6.5G 87G
二、free 命令各列的含义
free 命令打印的信息来自 /proc/meminfo （/proc 不是一个存在于物理磁盘上的目录，而是用于提供内核信息的一个虚拟目录），通过解析文件内容来展示物理内存、Swap 内存的使用情况。
| 指标 | 含义 | /proc/meminfo 数据源 |
|---|---|---|
| total | 总计可用的物理内存，但不包含 kernel & OS 的内存占用 | MemTotal |
| free | 没有被使用的内存空间大小 | MemFree |
| buffers | linux 内核用来做缓存的空间大小 | Buffers |
| cache | 内存中用来做进程页缓存和 slabs 的空闲大小（slab 用作操作系统缓存） | Cached & SReclaimable |
| used | 通过其他参数计算出来的参数 | total - free - buffers - cache |
| shared | 用作 tmpfs 的内存空间 | Shmem |
| avaliable | 预估可用于启动一个新应用的内存空间 | MemAvailable |
三、可用内存要关注 free 列还是 avaliable？
判断启动一个新进程还有多少内存空间可使用，需要关注 avaliable 数值。 avaliable 值通常要比 free 值要大，因为它加上了部分 cache & buffer 占用的空间。但又比 free + cache + buffers 要小，因为承认系统正常运行所需要的必要合理的缓存使用。
cache 的存在是由于 OS 运行中提升性能的需求。按照局部性原理，将未来可能用到的进程内存页做了缓存，减少了下次再需要该数据时产生缺页中断的概率。因为每发生一次缺页中断，就需要将进程置出，执行磁盘 I/O 读取数据，再将进程置为就绪态，是一个耗时操作。不做一些必要的 cache 就会导致磁盘 I/O 频繁、内存抖动，最终导致 CPU 使用率低。
avaliable 的统计并不是将所有的 cache & buffer 都统计在内，因为系统为了性能良好做一些缓存是合理的。从源码 上看，系统计算可用内存时会将 min(pagecache / 2, wmark_low) 减掉，即在 1/2 cache 大小和最少要保存的空闲内存间选一个最小值，这部分值将不记作可用内存。所以这也就是为什么真正的 avaliable 值要比 free 值要大，而有比 free + cache + buffers 要小的原因了。
for_each_zone(zone)
wmark_low += zone->watermark[WMARK_LOW];
/*
* Estimate the amount of memory available for userspace allocations,
* without causing swapping.
*
* Free memory cannot be taken below the low watermark, before the
* system starts swapping.
*/
available = i.freeram - wmark_low;
/*
* Not all the page cache can be freed, otherwise the system will
* start swapping. Assume at least half of the page cache, or the
* low watermark worth of cache, needs to stay.
*/
pagecache = pages[LRU_ACTIVE_FILE] + pages[LRU_INACTIVE_FILE];
pagecache -= min(pagecache / 2, wmark_low);
available += pagecache;
/*
* Part of the reclaimable swap consists of items that are in use,
* and cannot be freed. Cap this estimate at the low watermark.
*/
available += global_page_state(NR_SLAB_RECLAIMABLE) -
min(global_page_state(NR_SLAB_RECLAIMABLE) / 2, wmark_low);
if (available < 0)
available = 0;
结论
free 是操作 linux 系统时一个常用命令，理解其各指标内在含义有一定门槛。操作系统的内存管理比较复杂，本质要解决的问题是如何利用有限的内存空间最大化的存放更多的进程，同时减少缺页中断率。
参考文档
- 《操作系统精髓与设计原理》第六版
- provide estimated available memory
- Anticipating Your Memory Needs