linux内存的使用,swap和buffer/cache含义

本文深入解析Linux系统的内存管理机制,包括物理内存、缓存、缓冲、交换分区(Swap)的作用及工作原理。阐述了如何通过top命令查看内存状态,以及如何判断内存使用是否异常,涉及缓存(cached)、缓冲(buffers)、Swap等关键概念。

在使用top命令查看Mem时,如下图第四行,第五行所示:
在这里插入图片描述
KiB Mem:
total:指的是物理内存总量
free:空闲的内存总量
used:已用的内存总量
buff/cache:用作内核缓存的内存量
KiB Swap:
total:指的是交换区总量
free:空闲的交换区总量
used:已用的交换区总量
avail Mem:可用交换区总量

缓存(cached): 是把读取过的数据保存起来,重新读取时若命中(找到需要的数据)就不要去读硬盘了,若没有命中就读硬盘。其中的数据会根据读取频率进行组织,把最频繁读取的内容放在最容易找到的位置,把不再读的内容不断往后排,直至从中删除。

缓冲(buffers): 是根据磁盘的读写设计的,把分散的写操作集中进行,减少磁盘碎片和硬盘的反复寻道,从而提高系统性能。linux有一个守护进程定期清空缓冲内容(即写入磁盘),也可以通过sync命令手动清空缓冲。

两者都是RAM中的数据,简单来说,buffer是即将要被写入磁盘的,而cache是被从磁盘中读出来的。

Swap: 交换分区,通常我们说的虚拟内存,是从硬盘中划分出的一个分区。当物理内存不够用的时候,内核就会释放缓存区(buffers/cache)里一些长时间不用的程序,然后将这些程序临时放到Swap中,也就是说如果物理内存和缓存区内存不够用的时候,才会用到Swap。

从上可以看出,当物理内存使用完或者达到一定比例之后,我们可以使用swap做临时的内存使用。当物理内存和swap都被使用完那么就会出错,如:out of memory。对于使用多大比例内存之后开始使用swap,在系统配置文件中可以通过调整参数进行修改。

cat  /proc/sys/vm/swappiness
60

该参数范围为0-100。0就是最大限度使用内存,尽量不使用swap;100是积极使用swap。

那么怎么判断当前内存使用情况出现了异常呢?有下面几点供参考:

1.Mem free的值比较小,并且buff/cache的值也小
free的值比较少并不一定代表有问题,因为Linux会尽可能多的将内存用于page cache,但是如果buff/cache的值也小,就说明内存吃紧了,系统没有足够多的内存用于cache,如果当前服务器部署是一个需要频繁的读写磁盘的应用,如FTP服务器,那么对性能的影响将会非常大。

2.Swap used的值比较大,
这种情况比上面的更严重,正常情况下swap应该很少被使用,used值比较大说明交换空间被使用的比较多,如果通过vmstat命令看到swap in/out的比较频繁的话,说明系统内存严重不足,整体性能已经受到严重影响

<think>我们正在讨论Linux内存管理中的freebuff/cache释放机制。根据用户的问题提供的引用,用户希望了解Linux系统中free命令显示的内存信息中,buff/cache部分的释放机制,包括自动释放手动释放的情况。 关键点: 1. free命令显示的内存信息中,bufferscache(统称为buff/cache)主要用于缓存磁盘数据,以提高文件读写效率。 2. 当系统内存紧张(即free内存不足)时,内核会自动触发内存回收,释放buff/cache中的部分内存,以满足应用程序的内存需求。 3. 手动释放buff/cache的方法是通过写入/proc/sys/vm/drop_caches文件,但需要注意这可能会导致I/O飙升,因为内核需要确保缓存数据的一致性(比如脏数据写回磁盘)。 4. 自动释放是内核内存管理的基本机制,而手动释放通常不建议在生产环境中使用,除非有特定需求。 下面我将根据引用内容,逐步解释freebuff/cache的释放机制。 ### 1. **free命令中的内存分类** 在Linux中,使用free命令可以查看内存使用情况,输出通常包含以下几列: - `total`:总物理内存。 - `used`:已使用内存(包括buff/cache中正在使用的部分)。 - `free`:未被使用内存(真正空闲,未被任何程序或缓存使用)。 - `shared`:共享内存。 - `buff/cache`:被内核缓冲区(buffers)页缓存(page cache)占用的内存。 - `available`:估计可用于启动新应用程序的内存,它等于free内存加上可回收的buff/cache部分。 根据引用[3]: > available = free + buffer + cache(理想计算方式,实际有误差) 注意:`available`是从应用程序角度看到的可用内存,它考虑了可回收的缓存。 ### 2. **buff/cache的作用** - **buffers**:用于存储磁盘块的元数据(如目录项、inode等),加速文件系统操作。 - **cache**:主要分为Page Cache(文件数据的缓存)Buffer Cache(磁盘块的缓存),现在通常统称为Page Cache。 引用[1][2]指出: > cache用来做缓存,在内存够用时加快进程对文件的读写速度。 ### 3. **自动释放机制** 当系统内存不足(即free内存即将耗尽)时,内核会触发内存回收(reclaim)机制: 1. **回收目标**:主要针对buff/cache,尤其是使用较多的cache空间。 2. **回收过程**: - 内核首先检查缓存中的数据是否与磁盘上的数据一致(即是否为“脏数据”)。 - 对于干净的缓存(clean cache,即与磁盘一致),可以直接释放。 - 对于脏数据(dirty cache),需要先写回磁盘(同步),然后才能释放。 3. **影响**:回收过程中,由于需要写回脏数据,可能导致I/O使用率飙升(引用[1][2])。 引用[1]强调: > 释放的时候,需要确认cache中的数据对应文件中的数据一致才能对cache释放,否则需要写入之后才释放。所以随着cache释放,io会飙升。 ### 4. **手动释放机制** 虽然内核会在需要时自动回收,但用户也可以手动强制释放缓存: - 通过写入`/proc/sys/vm/drop_caches`文件(引用[2][4]): ```bash echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches # 释放Page Cache echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches # 释放slab分配器中的对象(包括dentriesinode缓存) echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches # 同时释放12 ``` - **注意**: - 手动释放仅适用于非脏缓存(干净缓存),脏缓存不会通过这种方式释放(需要先同步)。 - 手动释放会导致缓存被清空,可能暂时降低系统性能(因为后续文件读取需要重新从磁盘加载)。 - 生产环境不建议频繁手动释放,除非在特定场景(如测试内存占用或遇到内存压力时临时处理)。 ### 5. **释放代价与建议** - **代价**:自动或手动释放缓存都可能引起I/O压力(引用[1][2])。 - **建议**: - 依赖内核自动管理:Linux内核的内存管理机制已经相当成熟,应优先让内核在内存紧张时自动回收。 - 避免手动释放:除非在明确需要立即释放内存的情况下(如性能测试或内存严重不足且自动回收未及时触发),否则不要手动释放(引用[1]:线上服务器最好不要手动释放)。 ### 6. **内存释放的监控** 可以使用以下工具监控内存释放情况: - `free -h`:动态观察freeavailable的变化。 - `vmstat 1`:查看内存回收行为(如cachebuffer的变化,以及swap活动)。 - `sar -r 1`:监控内存使用率。 ### 总结 Linux系统中的buff/cache内存会在内存不足时由内核自动回收,以满足应用程序的内存需求。回收过程伴随着I/O操作(尤其是脏数据写回),可能影响系统性能。手动释放缓存虽然可行,但通常不建议在生产环境中使用,除非有特殊需求。系统管理员应信任内核的内存管理机制,并通过监控工具观察内存使用情况。 §§相关问题§§ 1. 如何监控Linux系统中内存回收(reclaim)的实时行为? 2. 在手动释放buff/cache时,如何确保脏数据先被写回磁盘? 3. Linux内核中管理缓存的主要数据结构是什么? 4. 如何调整内核参数以改变内存回收的阈值或行为?[^1][^2][^3][^4]</think>### Linux内存管理中free与buff/cache的释放机制 #### 1. **内存分类与作用** - **free内存**:真正未被使用的物理内存,可直接分配给应用程序。 - **buff/cache内存**:由内核管理的缓存内存,用于加速系统性能: - **buffers**:缓存磁盘块元数据(如目录项、inode) - **cache**:缓存文件内容(Page Cache) - **available**:应用程序视角的可用内存,计算方式为: $$\text{available} \approx \text{free} + \text{buffers} + \text{cache}$$ (实际值受内核算法影响会有偏差)[^3] #### 2. **自动释放机制** 当系统内存不足时,内核自动触发回收: 1. **触发条件**:`free`内存即将耗尽,应用程序请求新内存 2. **回收优先级**: - 优先释放`cache`(文件缓存) - 其次释放`buffers`(元数据缓存) 3. **回收过程**: - 检查缓存数据与磁盘的一致性 - 对**脏数据**(修改未同步的缓存)执行写回操作 - 释放**干净数据**(与磁盘一致的缓存) 4. **性能影响**: - 大量脏数据写回会导致I/O飙升 - 回收期间系统响应延迟增加[^1][^2] > ⚠️ **关键限制**:缓存释放必须保证数据一致性。例如修改过的文件缓存需先写回磁盘才能释放,这是I/O飙升的根本原因[^1]。 #### 3. **手动释放机制** 通过修改内核参数强制释放: ```bash # 释放Page Cache echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches # 释放slab缓存(含目录项/inode缓存) echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches # 同时释放1+2 echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches ``` **注意事项**: - 仅释放**干净缓存**,脏数据仍需写回 - 生产环境慎用:可能导致性能抖动[^2][^4] - 临时措施:适用于测试环境或特定维护场景 #### 4. **内核设计原理** 1. **缓存价值权衡**: - 空闲内存=浪费资源 → 内核主动用空闲内存作缓存 - 内存紧张时 → 牺牲性能释放缓存保进程运行 2. **释放策略**: - LRU(最近最少使用)算法优先释放旧缓存 - 内存水位控制:`min_free_kbytes`参数设定回收阈值 3. **特殊缓存处理**: - 共享内存(`shmem`)不可回收 - 内核 slab 缓存需特殊处理[^2] #### 5. **最佳实践建议** 1. **生产环境**: - 依赖内核自动管理,避免手动释放 - 监控`available`值而非`free` 2. **调优方向**: ```bash # 增加脏数据写回阈值(默认40%) sysctl -w vm.dirty_ratio=60 # 缩短脏数据刷新周期(默认5秒) sysctl -w vm.dirty_writeback_centisecs=500 ``` 3. **异常排查**: - `cache`持续增长:检查文件读写型进程 - `buffers`过高:排查文件系统操作频率 > 💡 **设计哲学**:Linux将空闲内存视为资源浪费,通过缓存最大化利用内存提升性能,仅在必要时回收[^3][^4]。 #### 总结 `buff/cache`的释放由内核自动触发,优先释放文件缓存(cache),需确保数据一致性导致I/O开销。手动释放仅作为临时手段,生产环境应依赖内核内存管理机制,并通过`vm.dirty_*`参数优化回收行为。 --- ###
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