“快准狠”找到Linux系统内存的问题

内存性能指标

最容易想到的是系统内存使用情况,比如已用内存、剩余内存、共享内存、可用内存、缓存和缓冲区的用量等。

已用内存和剩余内存很容易理解,就是已经使用和还未使用的内存。

共享内存是通过 tmpfs 实现的,所以它的大小也就是 tmpfs 使用的内存大小。tmpfs 其实也是一种特殊的缓存。

可用内存是新进程可以使用的最大内存,它包括剩余内存和可回收缓存。

缓存包括两部分,一部分是磁盘读取文件的页缓存,用来缓存从磁盘读取的数据,可以加快以后再次访问的速度。另一部分,则是 Slab 分配器中的可回收内存。

缓冲区是对原始磁盘块的临时存储,用来缓存将要写入磁盘的数据。这样,内核就可以把分散的写集中起来,统一优化磁盘写入。

第二类很容易想到的,应该是进程内存使用情况,比如进程的虚拟内存、常驻内存、共享内存以及 Swap 内存等。

虚拟内存,包括了进程代码段、数据段、共享内存、已经申请的堆内存和已经换出的内存等。这里要注意,已经申请的内存,即使还没有分配物理内存,也算作虚拟内存。

常驻内存是进程实际使用的物理内存,不过,它不包括 Swap 和共享内存。

共享内存,既包括与其他进程共同使用的真实的共享内存,还包括了加载的动态链接库以及程序的代码段等。

Swap 内存,是指通过 Swap 换出到磁盘的内存。

这些指标中,常驻内存一般会换算成占系统总内存的百分比,也就是进程的内存使用率。

除了这些很容易想到的指标外,还有,缺页异常。系统调用内存分配请求后,并不会立刻为其分配物理内存,而是在请求首次访问时,通过缺页异常来分配。缺页异常又分为下面两种场景。

可以直接从物理内存中分配时,被称为次缺页异常。

需要磁盘 I/O 介入(比如 Swap)时,被称为主缺页异常。

显然,主缺页异常升高,就意味着需要磁盘 I/O,那么内存访问也会慢很多。

除了系统内存和进程内存,第三类重要指标就是 Swap 的使用情况,比如 Swap 的已用空间、剩余空间、换入速度和换出速度等。

已用空间和剩余空间很好理解,就是字面上的意思,已经使用和没有使用的内存空间。

换入和换出速度,则表示每秒钟换入和换出内存的大小。

内存性能工具

free。这是个最常用的内存工具,可以查看系统的整体内存和 Swap 使用情况。

top 或 ps,查看进程的内存使用情况。通过 proc 文件系统,找到了内存指标的来源;

vmstat,动态观察了内存的变化情况。与 free 相比,vmstat 除了可以动态查看内存变化,还可以区分缓存和缓冲区、Swap 换入和换出的内存大小。

 cachestat ,查看整个系统缓存的读写命中情况,并用 cachetop 来观察每个进程缓存的读写命中情况。

 vmstat,发现了内存使用在不断增长,

memleak,确认发生了内存泄漏。通过 memleak 给出的内存分配栈,找到了内存泄漏的可疑位置。

sar 发现了缓冲区和 Swap 升高的问题。通过 cachetop,找到了缓冲区升高的根源;通过对比剩余内存跟 /proc/zoneinfo 的内存阈,发现 Swap 升高是内存回收导致的。通过 /proc 文件系统,找出了 Swap 所影响的进程。

第一个表格,从内存指标出发,列举了哪些性能工具可以提供这些指标。这样,在实际排查性能问题时

第二个表格,从性能工具出发,整理了这些常见工具能提供的内存指标。

还是那句话,在实际生产环境中,希望的是,尽可能快地定位系统瓶颈,然后尽可能快地优化性能,也就是要又快又准地解决性能问题。

方法当然有。还是那个关键词,找关联。其实,虽然内存的性能指标很多,但都是为了描述内存的原理,指标间自然不会完全孤立,一般都会有关联。当然,反过来说,这些关联也正是源于系统的内存原理,这也是基础原理的重要性。

 看到系统的剩余内存很低时,进程不一定不能申请分配新内存了,因为进程可以使用的内存,除了剩余内存,还包括了可回收的缓存和缓冲区。

所以,为了迅速定位内存问题,通常会先运行几个覆盖面比较大的性能工具,比如 free、top、vmstat、pidstat 等。

先用 free 和 top,查看系统整体的内存使用情况。

再用 vmstat 和 pidstat,查看一段时间的趋势,从而判断出内存问题的类型。

最后进行详细分析,比如内存分配分析、缓存 / 缓冲区分析、具体进程的内存使用分析等。

图中列出了最常用的几个内存工具,和相关的分析流程。其中,箭头表示分析的方向

通过 free,发现大部分内存都被缓存占用后,可以使用 vmstat 或者 sar 观察一下缓存的变化趋势,确认缓存的使用是否还在继续增大。如果继续增大,则说明导致缓存升高的进程还在运行,那就能用缓存 / 缓冲区分析工具(比如 cachetop、slabtop 等),分析这些缓存到底被哪里占用

 free 一下,发现系统可用内存不足时,首先要确认内存是否被缓存 / 缓冲区占用。排除缓存 / 缓冲区后,可以继续用 pidstat 或者 top,定位占用内存最多的进程。找出进程后,再通过进程内存空间工具(比如 pmap),分析进程地址空间中内存的使用情况就可以了。

通过 vmstat 或者 sar 发现内存在不断增长后,可以分析中是否存在内存泄漏的问题。比如可以使用内存分配分析工具 memleak ,检查是否存在内存泄漏。如果存在内存泄漏问题,memleak 会为你输出内存泄漏的进程以及调用堆栈。

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