Linux System and Performance Monitoring(Memory篇)

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：
Linux System and Performance Monitoring(CPU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.

(译注:
Q:什么是脏页?
A:由于内存中页缓存的缓存作用,写操作实际上都是延迟的.当页缓存中的数据比磁盘存储的数据还要更新时,那么该数据就被称做脏页.)

# 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:

Table 2: The vmstat Memory Statistics

Swapd:The amount of virtual memory in KB currently in use. As free memory reaches low thresholds, more data is paged to the swap device.当前虚拟内存使用的总额(单位:KB).空闲内存达到最低的阀值时,更多的数据被转换成页到交换设备中.
Free :The amount of physical RAM in kilobytes currently available to running applications.当前内存中可用空间字节数.
Buff :The amount of physical memory in kilobytes in the buffer cache as a result of read() and write() operations.当前内存中用于read()和write()操作的缓冲区中缓存字节数Cache :The amount of physical memory in kilobytes mapped into process address space.当前内存中映射到进程地址空间字节数So :The amount of data in kilobytes written to the swap disk.写入交换空间的字节数总额Si: The amount of data in kilobytes written from the swap disk back into RAM.从交换空间写回内存的字节数总额Bo: The amount of disk blocks paged out from the RAM to the filesystem or swap device.磁盘块页面从内存到文件或交换设备的总额Bi :The amount of disk blocks paged into RAM from the filesystem or swap device.磁盘块页面从文件或交换设备到内存的总额
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[root@monitor ~]# vmstat 3 -S m
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- -----cpu------
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
2 1 53 1077 23 511 0 0 9 217 6 6 2 1 93 4 0
0 1 53 762 24 817 0 0 49843 74592 1506 12141 1 9 49 42 0
0 6 53 531 24 1020 0 0 33057 143940 1392 2181 0 7 22 70 0
0 6 53 272 24 1284 0 0 42965 32768 1425 1068 0 6 0 94 0
1 4 53 56 24 1505 0 0 36091 39288 1387 980 0 5 0 94 0
0 6 53 54 6 1536 0 0 47065 424 1452 1171 0 8 0 92 0
0 6 53 26 7 1485 0 0 31433 247209 1358 961 5 12 0 84 0
0 6 53 49 7 1471 0 0 30111 43053 1355 1015 0 6 0 94 0
0 6 53 48 7 1477 0 0 43436 32768 1427 1097 0 7 34 59 0
0 6 53 51 7 1481 0 0 35235 43349 1371 979 0 7 49 44 0
0 6 53 54 6 1488 0 0 42411 43179 1425 1081 0 8 49 43 0
0 6 53 53 5 1499 0 0 36560 43349 1386 983 0 7 23 70 0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20~50MB,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.