在Linux中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)空閑內(nèi)存很少，似乎所有的內(nèi)存都被系統(tǒng)占用了，表面感覺是內(nèi)存不夠用了，其實不然。這是Linux內(nèi)存管理的一個優(yōu)秀特性，在這方面，區(qū)別于 Windows的內(nèi)存管理。主要特點是，無論物理內(nèi)存有多大，Linux 都將其充份利用，將一些程序調(diào)用過的硬盤數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，利用內(nèi)存讀寫的高速特性來提高Linux系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問性能。而Windows 是只在需要內(nèi)存時，才為應(yīng)用程序分配內(nèi)存，并不能充分利用大容量的內(nèi)存空間。換句話說，每增加一些物理內(nèi)存，Linux 都將能充分利用起來，發(fā)揮了硬件投資帶來的好處，而Windows只將其做為擺設(shè)，即使增加8GB甚至更大。

Linux 的這一特性，主要是利用空閑的物理內(nèi)存，劃分出一部份空間，做為 cache 和 buffers ，以此提高數(shù)據(jù)訪問性能。

1、什么是 cache ？

頁高速緩存（cache）是 Linux內(nèi)核實現(xiàn)的一種主要磁盤緩存。它主要用來減少對磁盤的I/O操作。具體地講，是通過把磁盤中的數(shù)據(jù)緩存到物理內(nèi)存中，把對磁盤的訪問變?yōu)閷ξ锢韮?nèi)存的訪問。

磁盤高速緩存的價值在于兩個方面：第一，訪問磁盤的速度要遠遠低于訪問內(nèi)存的速度，因此，從內(nèi)存訪問數(shù)據(jù)比從磁盤訪問速度更快。第二，數(shù)據(jù)一旦被訪問，就很有可能在短期內(nèi)再次被訪問到。

頁高速緩存是由內(nèi)存中的物理頁組成的，緩存中每一頁都對應(yīng)著磁盤中的多個塊。每當(dāng)內(nèi)核開始執(zhí)行一個頁I/O操作時（通常是對普通文件中頁大小的塊進行磁盤操作），首先會檢查需要的數(shù)據(jù)是否在高速緩存中，如果在，那么內(nèi)核就直接使用高速緩存中的數(shù)據(jù)，從而避免訪問磁盤。

舉個例子，當(dāng)使用文本編輯器打開一個源程序文件時，該文件的數(shù)據(jù)就被調(diào)入內(nèi)存。編輯該文件的過程中，越來越多的數(shù)據(jù)會相繼被調(diào)入內(nèi)存頁。最后，當(dāng)你編譯它的時候，內(nèi)核可以直接使用頁高速緩存中的頁，而不需要重新從磁盤讀取該文件了。因為用戶往往會反復(fù)讀取或操作同一個文件，所以頁高速緩存能減少大量的磁盤操作。

2、cache 如何更新？

由于頁高速緩存的緩存作用，寫操作實際上會被延遲。當(dāng)頁高速緩存中的數(shù)據(jù)比后臺存儲的數(shù)據(jù)更新時，那么該數(shù)據(jù)就被稱做臟數(shù)據(jù)。在內(nèi)存中累積起來的臟頁最終必須被寫回磁盤。在以下兩種情況發(fā)生時，臟頁被寫回磁盤：

◆當(dāng)空閑內(nèi)存低于一個特定的閾值時，內(nèi)核必須將臟頁寫回磁盤，以便釋放內(nèi)存。

◆當(dāng)臟頁在內(nèi)存中駐留時間超過一個特定的閾值時，內(nèi)核必須將超時的臟頁寫回磁盤，以確保臟頁不會無限期地駐留在內(nèi)存中。

在2.6內(nèi)核中，由一群內(nèi)核線程—pdflush后臺回寫例程統(tǒng)一執(zhí)行兩種工作。

首先，pdflush線程在系統(tǒng)中的空閑內(nèi)存低于一個特定的閾值時，將臟頁刷新回磁盤。該后臺回寫例程的目的在于在可用物理內(nèi)存過低時，釋放臟頁以重新獲得內(nèi)存。特定的內(nèi)存閾值可以通過dirty_background_ratio sysctl系統(tǒng)調(diào)用設(shè)置。當(dāng)空閑內(nèi)存比閾值：dirty_background_ratio還低時，內(nèi)核便會調(diào)用函數(shù)wakeup_bdflush（）喚醒一個pdflush線程，隨后pdflush線程進一步調(diào)用函數(shù)background_writeout（）開始將臟頁寫回磁盤。函數(shù)background_ writeout（）需要一個長整型參數(shù)，該參數(shù)指定試圖寫回的頁面數(shù)目。函數(shù)background_writeout（）會連續(xù)地寫出數(shù)據(jù)，直到滿足以下兩個條件：

◆已經(jīng)有指定的最小數(shù)目的頁被寫出到磁盤。

◆空閑內(nèi)存數(shù)已經(jīng)回升，超過了閾值dirty_background_ratio。

上述條件確保了pdflush操作可以減輕系統(tǒng)中內(nèi)存不足的壓力?；貙懖僮鞑粫谶_到這兩個條件前停止，除非pdflush寫回了所有的臟頁，沒有剩下的臟頁可再被寫回了。

為了滿足第二個目標，pdflush后臺例程會被周期性喚醒（和空閑內(nèi)存是否過低無關(guān)），將那些在內(nèi)存中駐留時間過長的臟頁寫出，確保內(nèi)存中不會有長期存在的臟頁。如果系統(tǒng)發(fā)生崩潰，由于內(nèi)存處于混亂之中，所以那些在內(nèi)存中還沒來得及寫回磁盤的臟頁就會丟失，所以周期性同步頁高速緩存和磁盤非常重要。在系統(tǒng)啟動時，內(nèi)核初始化一個定時器，讓它周期地喚醒pdflush線程，隨后使其運行函數(shù)wb_kupdate（）。

當(dāng)需要立即手動釋放臟頁

#sync

#cache echo 3 》 /proc/sys/vm/drop_caches

設(shè)置空閑內(nèi)存的最小閾值

echo 1024 》 /proc/sys/vm/min_free_kbytes

當(dāng)?shù)陀?024K的時候?qū)尫排K頁

一 物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存

我們知道，直接從物理內(nèi)存讀寫數(shù)據(jù)要比從硬盤讀寫數(shù)據(jù)要快的多，因此，我們希望所有數(shù)據(jù)的讀取和寫入都在內(nèi)存完成，而內(nèi)存是有限的，這樣就引出了物理內(nèi)存與虛擬內(nèi)存的概念。

物理內(nèi)存就是系統(tǒng)硬件提供的內(nèi)存大小，是真正的內(nèi)存，相對于物理內(nèi)存，在linux下還有一個虛擬內(nèi)存的概念，虛擬內(nèi)存就是為了滿足物理內(nèi)存的不足而提出的策略，它是利用磁盤空間虛擬出的一塊邏輯內(nèi)存，用作虛擬內(nèi)存的磁盤空間被稱為交換空間（Swap Space）。

作為物理內(nèi)存的擴展，linux會在物理內(nèi)存不足時，使用交換分區(qū)的虛擬內(nèi)存，更詳細的說，就是內(nèi)核會將暫時不用的內(nèi)存塊信息寫到交換空間，這樣以來，物理內(nèi)存得到了釋放，這塊內(nèi)存就可以用于其它目的，當(dāng)需要用到原始的內(nèi)容時，這些信息會被重新從交換空間讀入物理內(nèi)存。

linux的內(nèi)存管理采取的是分頁存取機制，為了保證物理內(nèi)存能得到充分的利用，內(nèi)核會在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)⑽锢韮?nèi)存中不經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)塊自動交換到虛擬內(nèi)存中，而將經(jīng)常使用的信息保留到物理內(nèi)存。

要深入了解linux內(nèi)存運行機制，需要知道下面提到的幾個方面：

首先，Linux系統(tǒng)會不時的進行頁面交換操作，以保持盡可能多的空閑物理內(nèi)存，即使并沒有什么事情需要內(nèi)存，Linux也會交換出暫時不用的內(nèi)存頁面。這可以避免等待交換所需的時間。

其次，linux進行頁面交換是有條件的，不是所有頁面在不用時都交換到虛擬內(nèi)存，linux內(nèi)核根據(jù)”最近最經(jīng)常使用“算法，僅僅將一些不經(jīng)常使用的頁面文件交換到虛擬內(nèi)存，有時我們會看到這么一個現(xiàn)象：linux物理內(nèi)存還有很多，但是交換空間也使用了很多。其實，這并不奇怪，例如，一個占用很大內(nèi)存的進程運行時，需要耗費很多內(nèi)存資源，此時就會有一些不常用頁面文件被交換到虛擬內(nèi)存中，但后來這個占用很多內(nèi)存資源的進程結(jié)束并釋放了很多內(nèi)存時，剛才被交換出去的頁面文件并不會自動的交換進物理內(nèi)存，除非有這個必要，那么此刻系統(tǒng)物理內(nèi)存就會空閑很多，同時交換空間也在被使用，就出現(xiàn)了剛才所說的現(xiàn)象了。關(guān)于這點，不用擔(dān)心什么，只要知道是怎么一回事就可以了。

最后，交換空間的頁面在使用時會首先被交換到物理內(nèi)存，如果此時沒有足夠的物理內(nèi)存來容納這些頁面，它們又會被馬上交換出去，如此以來，虛擬內(nèi)存中可能沒有足夠空間來存儲這些交換頁面，最終會導(dǎo)致linux出現(xiàn)假死機、服務(wù)異常等問題，linux雖然可以在一段時間內(nèi)自行恢復(fù)，但是恢復(fù)后的系統(tǒng)已經(jīng)基本不可用了。

因此，合理規(guī)劃和設(shè)計linux內(nèi)存的使用，是非常重要的。

二 內(nèi)存的監(jiān)控

作為一名linux系統(tǒng)管理員，監(jiān)控內(nèi)存的使用狀態(tài)是非常重要的，通過監(jiān)控有助于了解內(nèi)存的使用狀態(tài)，比如內(nèi)存占用是否正常，內(nèi)存是否緊缺等等，監(jiān)控內(nèi)存最常使用的命令有free、top等，下面是某個系統(tǒng)free的輸出：

［haixigov@WEBServer ~］$ free

total used free shared buffers cached

Mem： 16402432 16360492 41940 0 465404 12714880

-/+ buffers/cache： 3180208 13222224

Swap： 8193108 264 8192844

我們解釋下輸出結(jié)果中每個選項的含義：

首先是第一行：

• ?total：物理內(nèi)存的總大小。
• ?used：已經(jīng)使用的物理內(nèi)存多小。
• ?free：空閑的物理內(nèi)存值。
• shared：多個進程共享的內(nèi)存值。
• ?buffers/cached：磁盤緩存的大小。

第二行Mem：代表物理內(nèi)存使用情況。

第三行（-/+ buffers/cached）：代表磁盤緩存使用狀態(tài)。

第四行：Swap表示交換空間內(nèi)存使用狀態(tài)。

free命令輸出的內(nèi)存狀態(tài)，可以通過兩個角度來查看：一個是從內(nèi)核的角度來看，一個是從應(yīng)用層的角度來看的。

1．從內(nèi)核的角度來查看內(nèi)存的狀態(tài)

就是內(nèi)核目前可以直接分配到，不需要額外的操作，即為上面free命令輸出中第二行Mem項的值，可以看出，此系統(tǒng)物理內(nèi)存有16G，空閑的內(nèi)存只有41940K，也就是40M多一點，我們來做一個這樣的計算：

16402432－16360492＝41940

其實就是總的物理內(nèi)存減去已經(jīng)使用的物理內(nèi)存得到的就是空閑的物理內(nèi)存大小，注意這里的可用內(nèi)存值41940并不包含處于buffers和cached狀態(tài)的內(nèi)存大小。

如果你認為這個系統(tǒng)空閑內(nèi)存太小，那你就錯了，實際上，內(nèi)核完全控制著內(nèi)存的使用情況，linux會在需要內(nèi)存的時候，或在系統(tǒng)運行逐步推進時，將buffers和cached狀態(tài)的內(nèi)存變?yōu)閒ree狀態(tài)的內(nèi)存，以供系統(tǒng)使用。

2．從應(yīng)用層的角度來看系統(tǒng)內(nèi)存的使用狀態(tài)

也就是linux上運行的應(yīng)用程序可以使用的內(nèi)存大小，即free命令第三行“（-/+ buffers/cached）”的輸出，可以看到，此系統(tǒng)已經(jīng)使用的內(nèi)存才3180208K，而空閑的內(nèi)存達到13222224K，繼續(xù)做這樣一個計算：

41940＋（465404＋12714880）＝13222224

通過這個等式可知，應(yīng)用程序可用的物理內(nèi)存值是Mem項的free值加上buffers和cached值之和，也就是說，這個free值是包括buffers和cached項大小的，

對于應(yīng)用程序來說，buffers/cached占有的內(nèi)存是可用的，因為buffers/cached是為了提高文件讀取的性能，當(dāng)應(yīng)用程序需要用到內(nèi)存的時候，buffers/cached會很快地被回收，以供應(yīng)用程序使用。

3．buffers與cached的異同

在 Linux 操作系統(tǒng)中，當(dāng)應(yīng)用程序需要讀取文件中的數(shù)據(jù)時，操作系統(tǒng)先分配一些內(nèi)存，將數(shù)據(jù)從磁盤讀入到這些內(nèi)存中，然后再將數(shù)據(jù)分發(fā)給應(yīng)用程序；當(dāng)需要往文件中寫數(shù)據(jù)時，操作系統(tǒng)先分配內(nèi)存接收用戶數(shù)據(jù)，然后再將數(shù)據(jù)從內(nèi)存寫到磁盤上。然而，如果有大量數(shù)據(jù)需要從磁盤讀取到內(nèi)存或者由內(nèi)存寫入磁盤時，系統(tǒng)的讀寫性能就變得非常低下，因為無論是從磁盤讀數(shù)據(jù)，還是寫數(shù)據(jù)到磁盤，都是一個很消耗時間和資源的過程，在這種情況下，linux引入了buffers和cached機制。

buffers與cached都是內(nèi)存操作，用來保存系統(tǒng)曾經(jīng)打開過的文件以及文件屬性信息，這樣當(dāng)操作系統(tǒng)需要讀取某些文件時，會首先在buffers與cached內(nèi)存區(qū)查找，如果找到，直接讀出傳送給應(yīng)用程序，如果沒有找到需要數(shù)據(jù)，才從磁盤讀取，這就是操作系統(tǒng)的緩存機制，通過緩存，大大提高了操作系統(tǒng)的性能。但buffers與cached緩沖的內(nèi)容卻是不同的。

buffers是用來緩沖塊設(shè)備做的，它只記錄文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)（metadata）以及 tracking in-flight pages，而cached是用來給文件做緩沖。更通俗一點說：buffers主要用來存放目錄里面有什么內(nèi)容，文件的屬性以及權(quán)限等等。而cached直接用來記憶我們打開過的文件和程序。

為了驗證我們的結(jié)論是否正確，可以通過vi打開一個非常大的文件，看看cached的變化，然后再次vi這個文件，感覺一下兩次打開的速度有何異同，是不是第二次打開的速度明顯快于第一次呢？

接著執(zhí)行下面的命令：

find /* -name *.conf

看看buffers的值是否變化，然后重復(fù)執(zhí)行find命令，看看兩次顯示速度有何不同。

Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)存運行原理，很大程度上是根據(jù)服務(wù)器的需求來設(shè)計的，例如系統(tǒng)的緩沖機制會把經(jīng)常使用到的文件和數(shù)據(jù)緩存在cached中，linux總是在力求緩存更多的數(shù)據(jù)和信息，這樣再次需要這些數(shù)據(jù)時可以直接從內(nèi)存中取，而不需要有一個漫長的磁盤操作，這種設(shè)計思路提高了系統(tǒng)的整體性能。

三 交換空間swap的使用

雖然現(xiàn)在的內(nèi)存已經(jīng)變得非常廉價，但是swap仍然有很大的使用價值，合理的規(guī)劃和使用swap分區(qū)，對系統(tǒng)穩(wěn)定運行至關(guān)重要。Linux下可以使用文件系統(tǒng)中的一個常規(guī)文件或者一個獨立分區(qū)作為交換空間使用。同時linux允許使用多個交換分區(qū)或者交換文件。

1．創(chuàng)建swap交換空間

創(chuàng)建交換空間所需的交換文件是一個普通的文件，但是，創(chuàng)建交換文件與創(chuàng)建普通文件不同，必須通過dd命令來完成，同時這個文件必須位于本地硬盤上，不能在網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS）上創(chuàng)建swap交換文件。例如：

［root@localhost ~］# dd if=/dev/zero of=/data/swapfile bs=1024 count=65536

65536+0 records in

65536+0 records out

這樣就創(chuàng)建一個有連續(xù)空間的交換文件，大小為60M左右，關(guān)于dd命令做簡單的講述：

if＝輸入文件，或者設(shè)備名稱。

of＝輸出文件或者設(shè)備名稱。

ibs=bytes 表示一次讀入bytes 個字節(jié)（即一個塊大小為 bytes 個字節(jié)）。

obs=bytes 表示一次寫bytes 個字節(jié)（即一個塊大小為 bytes 個字節(jié)）。

bs＝bytes，同時設(shè)置讀寫塊的大小，以bytes為單位，此參數(shù)可代替 ibs 和 obs。

count=blocks 僅拷貝blocks個塊。

skip=blocks 表示從輸入文件開頭跳過 blocks 個塊后再開始復(fù)制。

seek=blocks表示從輸出文件開頭跳過 blocks 個塊后再開始復(fù)制。（通常只有當(dāng)輸出文件是磁盤或磁帶時才有效）

這里的輸入設(shè)備/dev/zero代表一個輸出永遠為0的設(shè)備文件，使用它作輸入可以得到全為空的文件。

2．激活和使用swap

首先通過mkswap命令指定作為交換空間的設(shè)備或者文件：

［root@localhost ~］#mkswap /data/swapfile

Setting up swapspace version 1， size = 67104 kB

［root@localhost backup］# free

total used free shared buffers cached

Mem： 2066632 1998188 68444 0 26160 1588044

-/+ buffers/cache： 383984 1682648

Swap： 4088500 101036 3987464

從上面輸出可知，我們指定了一個67104 kB的交換空間，而此時新建的交換空間還未被使用，下面簡單介紹下mkswap命令，mkswap的一般使用格式為：

mkswap ［參數(shù)］ ［設(shè)備名稱或文件］［交換區(qū)大小］

參數(shù)：

-c：建立交換區(qū)前，先檢查是否有損壞的區(qū)塊。

-v0：建立舊式交換區(qū)，此為預(yù)設(shè)值。

-v1：建立新式交換區(qū)。

交換區(qū)大?。褐付ń粨Q區(qū)的大小，單位為1024字節(jié)。

設(shè)置交換分區(qū)后，接著通過swapon命令激活swap：

［root@localhost ~］#/usr/sbin/swapon /data/swapfile

［root@localhost backup］# free

total used free shared buffers cached

Mem： 2066632 1997668 68964 0 27404 1588880

-/+ buffers/cache： 381384 1685248

Swap： 4154028 100976 4053052

通過free命令可以看出，swap大小已經(jīng)由4088500k變?yōu)?154028k，相差的值是60M左右，剛好等于我們增加的一個交換文件大小，這說明新增的交換分區(qū)已經(jīng)可以使用了，但是如果linux重啟，那么新增的swap空間將變得不可用，因此需要在/etc/fstab中添加自動加載設(shè)置：

/data/swapfile none swap sw 0 0

如此以來，linux在重啟后就可以實現(xiàn)自動加載swap分區(qū)了。其實linux在啟動過程中會執(zhí)行“swapon -a”命令，此命令會加載列在/etc/fstab中的所有交換空間。

3．移除swap

通過swapoff即可移除一個交換空間

［root@localhost ~］#/usr/sbin/swapoff /data/swapfile

其實也可以通過“swapoff -a”移除在/etc/fstab中定義的所有交換空間，這里的“swapoff -a”與上面提到的“swapon -a”對應(yīng)。執(zhí)行“swapoff -a”后，free命令輸出如下：

［root@localhost backup］# free

total used free shared buffers cached

Mem： 2066632 2048724 17908 0 30352 1642748

-/+ buffers/cache： 375624 1691008

Swap： 0 0 0