Linux System and Performance Monitoring(Memory篇)
Date:       2009.07.21
Author: Darren Hoch
译:            Tonnyom[AT]hotmail.com

本文接上一篇：

5.0 Virtual Memory介绍

虚拟内存就是采用硬盘对物理内存进行扩展,所以对可用内存的增加是要相对在一个有效范围内的.内核会写当前未使用内存块的内容到硬盘上,此时这部分内存被用于其它用途.当再一次需要原始内容时,此时再读回到内存中.这对于用户来说,是完全透明的;在Linux 下运行的程序能够看到,也仅仅是大量的可用内存,同时也不会留意到,偶尔还有部分是驻留在磁盘上的.当然,在硬盘上进行读和写,都是很慢的(大约会慢上千倍),相对于使用真实内存的话,因此程序无法运行的更快.用硬盘的一部分作为Virtual Memory,这就被称为”swap space”(译注:交换空间).

5.1 Virtual Memory Pages

虚拟内存被分为很多 pages(译注:页),在X86架构中,每个虚拟内存页为 4KB.当内核写内存到磁盘或者读磁盘到内存,这就是一次写内存到页的过程.内核通常是在swap 分区和文件系统之间进行这样的操作.

5.2 Kernel Memory Paging

内存分页在正常情况下总是活跃的,与memory swapping(译注:内存交换)之间不要搞错了.内存分页是指内核会定期将内存中的数据同步到硬盘,这个过程就是Memory Paging.日复一日,应用最终将会消耗掉所有的内存空间.考虑到这点,内核就必须经常扫描内存空间并且收回其中未被使用的内存页,然后再重新分配内存空间给其他应用使用.

5.3 The Page Frame Reclaim Algorithm(PFRA)(译注:页框回收算法)

PFRA 就是OS 内核用来回收并释放内存空间的算法.PFRA 选择哪个内存页被释放是基于内存页类型的.页类型有以下几种:

Unreclaimable –锁定的，内核保留的页面
Swappable –匿名的内存页
Syncable –通过硬盘文件备份的内存页
Discardable –静态页和被丢弃的页

除了第一种（Unreclaimable）之外其余的都可以被PFRA进行回收.

与PFRA 相关的,还包括kswapd 内核线程以及Low On Memory Reclaiming(LMR算法) 这2种进程和实现.

5.4 kswapd

kswapd 进程负责确保内存空间总是在被释放中.它监控内核中的pages_high和pages_low阀值.如果空闲内存的数值低于 pages_low,则每次 kswapd 进程启动扫描并尝试释放32个free pages.并一直重复这个过程,直到空闲内存的数值高于 pages_high.

kswapd 进程完成以下几个操作:

1,如果该页处于未修改状态,则将该页放置回空闲列表中.
2,如果该页处于已修改状态并可备份回文件系统,则将页内容写入到磁盘.
3,如果该页处于已修改状态但没有任何磁盘备份,则将页内容写入到swap device.

# ps -ef | grep kswapd
root 30 1 0 23:01 ? 00:00:00 [kswapd0]

5.5 Kernel Paging with pdflush

pdflush 进程负责将内存中的内容和文件系统进行同步操作.也就是说,当一个文件在内存中进行修改后, pdflush 将负责写回到磁盘上.

# ps -ef | grep pdflush
root 28 3 0 23:01 ? 00:00:00 [pdflush]
root 29 3 0 23:01 ? 00:00:00 [pdflush]

当内存中存在10% 的脏页,pdflush 将被启动同步脏页回文件系统里.这个参数值可以通过 vm.dirty_background_ratio 来进行调整.

# sysctl -n vm.dirty_background_ratio
10

在多数环境下,Pdflush与PFRA是独立运行的,当内核调用LMR时,LMR 就触发pdflush将脏页写入到磁盘里.

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在2.4 内核下,一个高负荷的内存环境中,系统将遇到交换过程中不断的崩溃.这是因为PFRA 从一个运行进程中,偷取其中一个内存页并尝试使用.导致结果就是,这个进程如果要回收那个页时,要是没有就会尝试再去偷取这个页,这样一来,就越来越糟糕了.在2.6 内核下,使用”Swap token”修复了这个BUG,用来防止PFRA 不断从一个进程获取同一个页.
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5.6 案例学习:大量的入口I/O

vmstat 工具报告里除了CPU 使用情况,还包括了虚拟内存.以下就是vmstat 输出中关于虚拟内存的部分:

以下 vmstat 的输出结果,就是演示一个在I/O 应用中,虚拟内存在高负荷情况下的环境

# vmstat 3
procs                               memory                swap       io          system cpu
r  b  swpd       free       buff      cache       si     so  bi      bo   in    cs  us  sy id wa
3 2 809192 261556 79760 886880 416 0 8244 751 426 863 17 3 6 75
0 3 809188 194916 79820 952900 307 0 21745 1005 1189 2590 34 6 12 48
0 3 809188 162212 79840 988920 95 0 12107 0 1801 2633 2 2 3 94
1 3 809268 88756 79924 1061424 260 28 18377 113 1142 1694 3 5 3 88
1 2 826284 17608 71240 1144180 100 6140 25839 16380 1528 1179 19 9 12 61
2 1 854780 17688 34140 1208980 1 9535 25557 30967 1764 2238 43 13 16 28
0 8 867528 17588 32332 1226392 31 4384 16524 27808 1490 1634 41 10 7 43
4 2 877372 17596 32372 1227532 213 3281 10912 3337 678 932 33 7 3 57
1 2 885980 17800 32408 1239160 204 2892 12347 12681 1033 982 40 12 2 46
5 2 900472 17980 32440 1253884 24 4851 17521 4856 934 1730 48 12 13 26
1 1 904404 17620 32492 1258928 15 1316 7647 15804 919 978 49 9 17 25
4 1 911192 17944 32540 1266724 37 2263 12907 3547 834 1421 47 14 20 20
1 1 919292 17876 31824 1275832 1 2745 16327 2747 617 1421 52 11 23 14
5 0 925216 17812 25008 1289320 12 1975 12760 3181 772 1254 50 10 21 19
0 5 932860 17736 21760 1300280 8 2556 15469 3873 825 1258 49 13 24 15

根据观察值,我们可以得到以下结论:

1,大量的disk pages(bi)被写入内存,很明显在进程地址空间里,数据缓存(cache)也在不断的增长.

2,在这个时间点上,空闲内存(free) 始终保持在17MB,即使数据从硬盘读入而在消耗RAM.

3,为了维护空闲列表, kswapd 从读/写缓存区(buff)中获取内存并分配到空闲列表里.很明显可以看到buffer cache(buff) 在逐渐的减少中.

4, 同时kswapd 进程不断的写脏页到swap device(so)时,很明显虚拟内存的利用率是在逐渐的增加中(swpd).

5.7 结论

监控虚拟内存性能由以下几个部分组成:

1,当系统中出现较少的页错误,获得最好的响应时间,是因为memory caches(译注:内存高速缓存)比disk caches更快(译注:磁盘高速缓存).

2,较少的空闲内存,是件好事情,那意味着缓存的使用更有效率.除非在不断的写入swap device和disk.

3,如果系统不断报告,swap device总是繁忙中,那就意味着内存已经不足,需要升级了.