Linux性能调优命令之free

Posted 2021-05-22 尘世风

功能说明

free 命令显示系统使用和空闲的内存情况，包括物理内存、交互区内存(swap)和内核缓冲区内存。共享内存将被忽略

语法

free [参数]

参数

• -b ： 以Byte为单位显示内存使用情况。
• -k ： 　以KB为单位显示内存使用情况。
• -m ： 　以MB为单位显示内存使用情况。
• -h： 以适于人类可读方式显示内存信息。-h与其他命令最大不同是-h选项会在数字后面加上适于人类可读的单位
• -g ： 以GB为单位显示内存使用情况。
• -o ： 　不显示缓冲区调节列。
• -s： <间隔秒数> 　持续观察内存使用状况。
• -t ： 　显示内存总和列。
• -V ： 　显示版本信息。

如果加上 -h 选项，输出的结果会友好很多：

有时我们需要持续的观察内存的状况，此时可以使用 -s 选项并指定间隔的秒数：

$ free -h -s 3

上面的命令每隔 3 秒输出一次内存的使用情况，直到你按下 ctrl + c。

由于 free 命令本身比较简单，所以本文的重点会放在如何通过 free 命令了解系统当前的内存使用状况。

基本概念

下面先解释一下输出的内容：

第一列

• Mem 行(第二行)是内存的使用情况。
• Swap 行(第三行)是交换空间的使用情况。

第一行

• total 列显示系统总的可用物理内存和交换空间大小。
• used 列显示已经被使用的物理内存和交换空间。
• free 列显示还有多少物理内存和交换空间可用使用。
• shared 列显示被共享使用的物理内存大小。
• buff/cache 列显示被 buffer 和 cache 使用的物理内存大小。
• available 列显示还可以被应用程序使用的物理内存大小。

buff/cache:

从字面上和语义来看，buffer名为缓冲，cache名为缓存。我们知道各种硬件存在制作工艺上的差别，所以当两种硬件需要交互的时候，肯定会存在速度上的差异，而且只有交互双方都完成才可以各自处理别的其他事务。假如现在有两个需要交互的设备A和B，A设备用来交互的接口速率为1000M/s，B设备用来交互的接口速率为500M/s，那他们彼此访问的时候都会出现以下两种情况：（以A来说）

一.A从B取一个1000M的文件结果需要2s，本来需要1s就可以完成的工作，却还需要额外等待1s,B设备把剩余的500M找出来，这等待B取出剩下500M的空闲时间内(1s)其他的事务还干不了

二.A给B一个1000M的文件结果也需要2s，本来需要也就1s就可以完成的工作，却由于B，1s内只能拿500M，剩下的500M还得等下一个1sB来取，这等待下1s的时间还做不了其他事务。

那有什么方法既可以让A在‘取’或‘给’B的时候既能完成目标任务又不浪费那1s空闲等待时间去处理其他事务呢？我们知道产生这种结果主要是因为B跟不上A的节奏，但即使这样A也得必须等B处理完本次事务才能干其他活（单核cpu来说），除非你有三头六臂。那有小伙伴可能会问了，能不能在A和B之间加一层区域比如说ab，让ab既能跟上A的频率也会照顾B的感受，没错我们确实可以这样设计来磨合接口速率上的差异，你可以这样想象，在区域ab提供了两个交互接口一个是a接口另一个是b接口，a接口的速率接近A，b接口的速率最少等于B，然后我们把ab的a和A相连，ab的b和B相连，ab就像一座桥把A和B链接起来，并告知A和B通过他都能转发给对方，文件可以暂时存储，最终拓扑大概如下：

现在我们再来看上述两种情况：

对于第一种情况A要B：当A从B取一个1000M的文件，他把需求告诉了ab，接下来ab通过b和B进行文件传送，由于B本身的速率，传送第一次ab并没有什么卵用，对A来说不仅浪费了时间还浪费了感情，ab这家伙很快感受到了A的不满，所以在第二次传送的时候，ab背着B偷偷缓存了一个一模一样的文件，而且只要从B取东西，ab都会缓存一个拷贝下来放在自己的大本营，如果下次A或者其他C来取B的东西，ab直接就给A或C一个货真价实的赝品，然后把它通过a接口给了A或C，由于a的速率相对接近A的接口速率，所以A觉得不错为他省了时间，最终和ab的a成了好基友，说白了此时的ab提供的就是一种缓存能力，即cache，绝对的走私！因为C取的是A执行的结果。所以在这种工作模式下，怎么取得的东西是最新的也是我们需要考虑的，一般就是清cache。例如cpu读取内存数据，硬盘一般都提供一个内存作为缓存来增加系统的读取性能

对于第二种情况A给B：当A发给B一个1000M的文件，因为A知道通过ab的a接口就可以转交给B，而且通过a接口要比通过B接口传送文件需要等待的时间更短，所以1000M通过a接口给了ab ，站在A视图上他认为已经把1000M的文件给了B，但对于ab并不立即交给B，而是先缓存下来，除非B执行sync命令，即使B马上要，但由于b的接口速率最少大于B接口速率，所以也不会存在漏洞时间，但最终的结果是A节约了时间就可以干其他的事务，说白了就是推卸责任，哈哈而ab此时提供的就是一种缓冲的能力，即buffer，它存在的目的适用于当速度快的往速度慢的输出东西。例如内存的数据要写到磁盘，cpu寄存器里的数据写到内存。

看了上面这个例子，那我们现在看一下在计算机领域，在处理磁盘IO读写的时候，cpu，memory，disk基于这种模型给出的一个实例。我们先来一幅图：（我从别家当来的，我觉得，看N篇文档 不如瞄此一图）

page cache：文件系统层级的缓存，从磁盘里读取的内容是存储到这里，这样程序读取磁盘内容就会非常快，比如使用grep和find等命令查找内容和文件时，第一次会慢很多，再次执行就快好多倍，几乎是瞬间。但如上所说，如果对文件的更新不关心，就没必要清cache，否则如果要实施同步，必须要把内存空间中的cache clean下

buffer cache：磁盘等块设备的缓冲，内存的这一部分是要写入到磁盘里的。这种情况需要注意，位于内存buffer中的数据不是即时写入磁盘，而是系统空闲或者buffer达到一定大小统一写到磁盘中，所以断电易失，为了防止数据丢失所以我们最好正常关机或者多执行几次sync命令，让位于buffer上的数据立刻写到磁盘里。

free 与 available

在 free 命令的输出中，有一个 free 列，同时还有一个 available 列。这二者到底有何区别？
free 是真正尚未被使用的物理内存数量。至于 available 就比较有意思了，它是从应用程序的角度看到的可用内存数量。Linux 内核为了提升磁盘操作的性能，会消耗一部分内存去缓存磁盘数据，就是我们介绍的 buffer 和 cache。所以对于内核来说，buffer 和 cache 都属于已经被使用的内存。当应用程序需要内存时，如果没有足够的 free 内存可以用，内核就会从 buffer 和 cache 中回收内存来满足应用程序的请求。所以从应用程序的角度来说，available = free + buffer + cache。请注意，这只是一个很理想的计算方式，实际中的数据往往有较大的误差。

交换空间(swap space)

swap space 是磁盘上的一块区域，可以是一个分区，也可以是一个文件。所以具体的实现可以是 swap 分区也可以是 swap 文件。当系统物理内存吃紧时，Linux 会将内存中不常访问的数据保存到 swap 上，这样系统就有更多的物理内存为各个进程服务，而当系统需要访问 swap 上存储的内容时，再将 swap 上的数据加载到内存中，这就是常说的换出和换入。交换空间可以在一定程度上缓解内存不足的情况，但是它需要读写磁盘数据，所以性能不是很高。

现在的机器一般都不太缺内存，如果系统默认还是使用了 swap 是不是会拖累系统的性能？理论上是的，但实际上可能性并不是很大。并且内核提供了一个叫做 swappiness 的参数，用于配置需要将内存中不常用的数据移到 swap 中去的紧迫程度。这个参数的取值范围是 0～100，0 告诉内核尽可能的不要将内存数据移到 swap 中，也即只有在迫不得已的情况下才这么做，而 100 告诉内核只要有可能，尽量的将内存中不常访问的数据移到 swap 中。在 ubuntu 系统中，swappiness 的默认值是 60。如果我们觉着内存充足，可以在 /etc/sysctl.conf 文件中设置 swappiness：

vm.swappiness=10

如果系统的内存不足，则需要根据物理内存的大小来设置交换空间的大小。具体的策略网上有很丰富的资料，这里笔者不再赘述。

/proc/meminfo 文件

其实 free 命令中的信息都来自于 /proc/meminfo 文件。/proc/meminfo 文件包含了更多更原始的信息，只是看起来不太直观：

有兴趣的同学可以直接查看这个文件。

总结

free 命令是一个既简单又复杂的命令。简单是因为这个命令的参数少，输出结果清晰。说它复杂则是因为它背后是比较晦涩的操作系统中的概念，如果不清楚这些概念，即便看了 free 命令的输出也 get 不到多少有价值的信息。