Linux系统排查1——内存篇
常见工作中，计算机系统的资源主要包括CPU，内存，硬盘以及网络，过度使用这些资源将使系统陷入困境。本系列一共四篇博文，结合我在实习期间的学习，介绍一些常见的Linux系统排障工具及方法。
第1篇——内存篇
第2篇——CPU篇
第3篇——磁盘I/O篇
第4篇——网络篇
事实上，当上述服务器系统资源中的任何一个遭遇瓶颈，都会带来服务器性能的下降，典型的症状就是系统运行迟缓。
本文从以下几个角度介绍Linux系统内存相关的排查。
1. 内存的使用率如何查看，使用率真的很高吗
2. 内存用在哪里了
3. 内存优化可以有哪些手段
1. 内存硬件查看
# dmidecode -t memory
# dmideocde -t memory //以下为命令输出节选 # dmidecode 2.12 # SMBIOS entry point at 0x7f6be000 SMBIOS 2.5 present. Handle 0x0005, DMI type 16, 15 bytes Physical Memory Array Location: System Board Or Motherboard Use: System Memory Error Correction Type: Single-bit ECC Maximum Capacity: 192 GB Error Information Handle: Not Provided Number Of Devices: 18 Handle 0x0010, DMI type 6, 12 bytes Memory Module Information Socket Designation: DIMM06 Bank Connections: 0 0 Current Speed: 1 ns Type: DIMM Installed Size: 8192 MB (Single-bank Connection) Enabled Size: 8192 MB (Single-bank Connection) Error Status: OK Handle 0x0011, DMI type 17, 27 bytes Memory Device Array Handle: 0x0005 Error Information Handle: Not Provided Total Width: 72 bits Data Width: 64 bits Size: 8192 MB Form Factor: DIMM Set: None Locator: DIMM06 Bank Locator: BANK06 Type: Other Type Detail: Unknown Speed: 800 MHz Manufacturer: Hynix Serial Number: 5781322C Asset Tag: Unknown Part Number: HMT31GR7BFR4C-H9
通过dmidecode工具可以查看很多硬件相关的数据，这里仅以内存为例。我们可以看到，服务器最大支持内存扩充为192GB，目前已经安装了一块海力士（Hynix）生产的8GB内存，该内存插在主板的第六个DIMM插槽上面（物理插槽又称socket）。
该命令能够给出物理内存的许多详细信息，本文并不一一介绍。
2. 内存的大体使用情况
free -m/-h
free命令用来查看系统内存的整体使用情况。
# free -m total used free shared buffers cached Mem: 11972 6345 5627 1 305 2140 -/+ buffers/cache: 3899 8073 Swap: 856 0 856
free -m以MB为单位显示整个系统的内存使用情况，free -h则自动选择以适合理解的容量单位显示：
# free -h total used free shared buffers cached Mem: 11G 6.2G 5.5G 1.2M 305M 2.1G -/+ buffers/cache: 3.8G 7.9G Swap: 856M 0B 856M
可以看到系统内存12GB（总可用11.7GB），当前已用6.2G，剩余5.5GB。这个例子中我们看到系统的内存使用并不高，但即便free命令显示的"used"的值很高，接近total的值，那么系统就真的没有内存空间了吗？
我们可以看到free 命令下面有一行“-/+ buffers/cache”，该行显示的used是上一行“used”的值减去buffers和cached的值，同时该行的free是上一行的free加上buffers和cached的值。这里可以看到，尽管第一行的used显示共使用了6.2GB的物理内存，但除去buffers和cached数据后，实际仅仅占用了3.8GB的内存，而如果剩余空间加上buffers和cached数据当前占用的内存，将达到8BG之多。
这是因为buffers和cache数据是动态变化的，内存充足时，内核出于性能考虑会进行一定的缓存，当内存空间不足时，buffers, cached占用的空间是可以为了程序释放的。
因此判断系统内存是否耗竭的实际指标是看减去buffer和cache的空间后used空间是否依旧很大，以及交换空间是否被大量占用。显然这个例子不符合内存耗竭的情形。
那么buffers与cached又有什么区别呢？
（1） buffers：记录文件系统的metadata，例如目录里面有什么内容，权限等等；
（2） cached：用来给文件做缓冲，缓存刚刚访问的文件。
3. 哪些进程消耗内存比较多？
top
top命令用来查看具体进程消耗的内存空间。
# top
top - 14:45:43 up 35 days, 2:54, 2 users, load average: 0.35, 0.23, 0.21 Tasks: 213 total, 3 running, 210 sleeping, 0 stopped, 0 zombie %Cpu(s): 2.1 us, 2.2 sy, 0.0 ni, 95.3 id, 0.3 wa, 0.0 hi, 0.1 si, 0.0 st KiB Mem: 12260128 total, 6502480 used, 5757648 free, 312864 buffers KiB Swap: 877564 total, 0 used, 877564 free. 2192620 cached Mem
top 命令查看系统的实时负载， 包括进程、CPU负载、内存使用等等；
进入top的实时界面后，默认按照CPU的使用率排序，通过“shift+m”按键将进程按照内存使用情况排序，可以查看哪些进程是当前系统中的内存开销“大户”。
top命令中，按下 f 键，进入选择排序列的界面，这里可以选择要显示的信息列，要按照哪些信息列进行排序等，该界面上有简要的介绍，这里不再赘述。
可以看到top命令也会显示系统整体的内存使用情况，同样包括了total, used, free, buffers, cached等，需要注意的是，这里并没有像free命令那样提供-/+ buffers/cached之后的值，因此需要经过额外计算才能获得当前系统实际剩余的可用内存。
另一方面，我们查看不同进程的内存开销，
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND 1501 mysql 20 0 655848 309724 9928 S 0.7 2.5 266:53.23 mysqld 2816 rabbitmq 20 0 2444216 248528 2612 S 1.7 2.0 868:40.86 beam.smp 22589 nova 20 0 402236 144884 4084 S 0.0 1.2 17:42.08 nova-api 22591 nova 20 0 401848 144508 4092 S 0.0 1.2 17:44.65 nova-api 22590 nova 20 0 401312 143884 4068 S 0.0 1.2 17:47.23 nova-api 22588 nova 20 0 400592 143260 4080 S 0.0 1.2 17:45.53 nova-api
通过%MEM列，可以查看哪几个进程占用了大量的内存，在缓解内存不足的紧急情况时，可以终止这些占用内存较多的进程。
top命令中有以下与内存相关的数据列：
（1）VIRT：虚拟内存，是进程申请的虚拟内存总量；
（2）RES： 常驻内存，是进程切实使用的物理内存量，free命令中看到的used列下面的值，就包括常驻内存的加总，但不是虚拟内存的加总；
（3）SHR：共享内存，比如共享库占用的内存等。
4. 交换空间
# swapon # swapoff # mkswap
使用free命令可以查看内存的总体使用，显示的内容也包括交换分区的大小，可以使用swapon，swapoff，命令开启或关闭交换空间，交换空间是磁盘上的文件，并不是真正的内存空间。
例如：关闭交换分区
# swapoff -a # free total used free shared buffers cached Mem: 12260128 6497332 5762796 1256 312980 2191960 -/+ buffers/cache: 3992392 8267736 Swap: 0 0 0
此时交换分区显示全为0，说明系统没有开启交换分区。swapon命令可以启用交换分区。
当内存不足时，系统会选择通过：1.将部分不常被访问的内存页交换到内存空间，或2.删除部分cache的文件来释放内存空间。
系统的可用内存一般等于物理内存 + 交换分区。交换分区在磁盘上， 因此速度比内存读写要慢得多。
交换分区实际上就是磁盘上的文件，可以通过mkswap命令来创建交换空间。
5. 内核态内存占用
# slabtop
slab系统用来处理系统中比较小的元数据，如文件描述符等，进而组织内核态的内存分配。
一个slab包含多个object，例如dentry这些数据结构就是object，可以通过slabtop命令查看系统中活动的object的数量与内存占用情况，从而了解哪些数据结构最占用内核态的内存空间。
例如：使用slabtop命令查看内核数据结构及内存占用
Active / Total Objects (% used) : 1222616 / 1575898 (77.6%) Active / Total Slabs (% used) : 39945 / 39945 (100.0%) Active / Total Caches (% used) : 67 / 125 (53.6%) Active / Total Size (% used) : 276332.00K / 318115.77K (86.9%) Minimum / Average / Maximum Object : 0.01K / 0.20K / 15.75K OBJS ACTIVE USE OBJ SIZE SLABS OBJ/SLAB CACHE SIZE NAME 848211 516003 60% 0.10K 21749 39 86996K buffer_head 266406 266158 99% 0.19K 6343 42 50744K dentry 75300 73560 97% 0.63K 3012 25 48192K proc_inode_cache 70224 70224 100% 0.96K 2128 33 68096K ext4_inode_cache 56960 56489 99% 0.06K 890 64 3560K kmalloc-64 52530 50791 96% 0.04K 515 102 2060K ext4_extent_status 30702 29066 94% 0.19K 731 42 5848K kmalloc-192 27076 22278 82% 0.55K 967 28 15472K radix_tree_node 26532 26532 100% 0.11K 737 36 2948K sysfs_dir_cache 20910 20910 100% 0.05K 246 85 984K shared_policy_node 12712 12712 100% 0.57K 454 28 7264K inode_cache 11536 10815 93% 0.07K 206 56 824K anon_vma 9088 7840 86% 0.03K 71 128 284K kmalloc-32 6752 3567 52% 0.25K 211 32 1688K kmalloc-256 6656 6656 100% 0.02K 26 256 104K kmalloc-16 6560 4747 72% 0.12K 205 32 820K kmalloc-128 6656 6656 100% 0.02K 26 256 104K kmalloc-16
通常关注1. 哪些数据结构的内存占用最大，2. 哪些类型的数据结构对应的object最多，比如inode多代表文件系统被大量引用等。
该交互命令支持的选项与排序标准有：
选项： --delay=n, -d n 每隔n秒刷新信息 --once, -o 只显示一次 --sort=S, -s S 按照S排序，其中S为排序标准 排序标准(shift + 对应的键)： a：根据active objects数量高低排序 b：根据 objects / slab高低来排序 c：根据cache大小排序 l：根据slab数量排序 v：根据active slabs数量排序 n：按 name 排序 o：按照 objects 数量排序 p：按照 pages / slab 的值排序 s：按照 object 大小排序 u：按照 cache 使用量排序
6. 查看内存使用的动态变化
# vmstat
vmstat命令可以查看内存使用的动态变化，
例如： 使用vmstat动态监视内存变动
# vmstat 1 procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu----- r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st 1 0 0 5755120 312980 2192136 0 0 1 33 1 0 5 2 92 1 0 0 0 0 5755120 312980 2192136 0 0 0 8 2000 2770 1 2 97 0 0 1 0 0 5755120 312980 2192136 0 0 0 24 2033 2715 1 2 96 1 0 0 0 0 5755120 312980 2192136 0 0 0 0 1999 2317 1 2 98 0 0 3 1 0 5754996 312980 2192136 0 0 0 4 2187 3004 6 3 91 0 0
其中# vmstat N 代表每隔N秒更新一次数据。
7. dstat
# dstat You did not select any stats, using -cdngy by default. ----total-cpu-usage---- -dsk/total- -net/total- ---paging-- ---system-- usr sys idl wai hiq siq| read writ| recv send| in out | int csw 5 2 92 1 0 0|4630B 129k| 0 0 | 0 0 |2246 2808 2 2 93 4 0 0| 0 708k| 53k 6732k| 0 0 |2091 2828 1 2 96 1 0 0| 0 8192B| 34k 6595k| 0 0 |2198 2621 1 2 96 0 0 1| 0 12k| 39k 6898k| 0 0 |2209 2679 2 2 96 0 0 0| 0 4096B| 44k 7256k| 0 0 |2217 2907 1 2 97 0 0 0| 0 0 | 38k 7109k| 0 0 |2128 2413 2 3 94 1 0 0| 0 24k| 37k 7295k| 0 0 |2217 2594 2 2 96 0 0 0| 0 12k| 36k 7482k| 0 0 |2106 2613 1 1 97 0 0 0| 0 4096B| 37k 6923k| 0 0 |2255 2516
8. 查看共享内存空间
pmap
可以使用pmap命令查看进程使用的共享内存，包括使用的库，所在堆栈空间等。
# pmap -d 1 1: /sbin/init Address Kbytes Mode Offset Device Mapping 00007fb45d59c000 44 r-x-- 0000000000000000 008:00002 libnss_files-2.19.so 00007fb45d5a7000 2044 ----- 000000000000b000 008:00002 libnss_files-2.19.so 00007fb45d7a6000 4 r---- 000000000000a000 008:00002 libnss_files-2.19.so 00007fb45d7a7000 4 rw--- 000000000000b000 008:00002 libnss_files-2.19.so 00007fb45d7a8000 44 r-x-- 0000000000000000 008:00002 libnss_nis-2.19.so 00007fb45d7b3000 2044 ----- 000000000000b000 008:00002 libnss_nis-2.19.so 00007fb45d9b2000 4 r---- 000000000000a000 008:00002 libnss_nis-2.19.so 00007fb45d9b3000 4 rw--- 000000000000b000 008:00002 libnss_nis-2.19.so
9. 查看系统内存历史记录
# sar
可以使用sar命令查看一个月以内的内存使用情况。
如何清理内存使用
1. 释放占用的缓存空间
# sync //先将内存刷出，避免数据丢失 # echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches //释放pagecache # echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches //释放dentry和inode # echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches //释放pagecache、dentry和inode
2. 终止进程
与Linux内存相关的文件系统文件
/proc/meminfo
内存信息
/proc/$pid/status
进程状态信息，
/proc/$pid/statm
进程物理内存信息
/proc/slabinfo
slab的分布状况
/proc/vmstat
虚拟内存信息
一些额外的小技巧
1. 降低swap的使用率：
# sysctl -a | grep swappiness vm.swappiness = 60
可以查看当前swap的使用
2. 限制其他用户的内存使用
# vim /etc/security/limits.conf user1 hard as 1000 （用户user1所有累加起来，内存不超过1000kiB） user1 soft as 800 （用户user1一次运行，内存不超过800kiB）
3. 大量连续内存数据：
# vim /etc/sysctl.conf vm.nr_hugepage=20
4. 调节page cache（大量一样的请求 调大page cache）
vm.lowmem_reserve_ratio = 256 256 32 （保留多少内存作为pagecache 当前 最大 最小） vm.vfs_cache_pressure=100 （大于100，回收pagecache） vm.page.cluster=3（一次性从swap写入内存的量为2的3次方页） vm.zone_reclaim_mode=0/1（当内存危机时，是否尽量回收内存 0:尽量回收 1:尽量不回收） min_free_kbytes：该文件表示强制Linux VM最低保留多少空闲内存（Kbytes）。
5. 脏页
vm.dirty_background_radio=10 （当脏页占内存10%，pdflush工作） vm.dirty_radio=40 （当进程自身脏页占内存40%，进程自己处理脏页，将其写入磁盘） vm.dirty_expire_centisecs=3000 （脏页老化时间为30秒 3000/100=30秒） vm.dirty_writeback_centisecs=500 （每隔5秒，pdflush监控一次内存数量 500/100=5秒）
脏页是指已经更改但尚未刷到硬盘的内存页，由pdflush往硬盘上面刷。
