Linux MemAvailable构成分析

       在分析Linux系统内存时候，我们经常会通过观察/proc/meminfo的数据。而判断当前系统内存是否紧缺的时候，往往会关注MemFree和MemAvailable两个参数。那么这两个参数的关系是什么呢？谁能表示当前系统的内存紧张程度？

我们先从结构与关系的角度来区分两个参数的含义。MemAvailable的参数通过procfs获取，可以对应内核源码fs/proc/meminfo.c可以看到关键的变量：

meminfo_proc_show
|-->available = si_mem_available()

　　

        按图索骥，关于available的计算实现在mm/page_alloc.c。结合代码实现，可以很清晰获取Memavailable的构成以及和MemFree的关系。本文试图抛开源码，通过如下总结的图，展开说明其原理。若对其中实现细节感兴趣的小伙伴，还是建议回到代码本身

 

  

        如上图所示，MemAvailable的构成来自三个部分（注意不是全部）：

• MemFree

　　对应/proc/meminfo的MemFree，就是客观上对应的系统可以“直接”分配使用的内存。

• PageCache

       对应/proc/meminfo的Active(file)+Inactive(file)，该部分内存可以通过回收之后分配使用

• KReclaimable

       对应/proc/meminfo的KReclaimable（包含了SLAB的可回收内存，即SReclaimable），该部分内存也可以通过回收之后分配使用

        至此，我们可知：MemAvailable包含的成分来自MemFree和可回收的内存(PageCache和KReclaimable)。

        那么对每类成分中具体的构成又是怎样呢？

        先看来自MemFree的部分，称其纳入MemAvalaible的部分Available-part1。linux的内存一般包括几个常见的区域（Zone），如Normal Zone, DMA Zone，还有其他Zone（如Device Zone, Movable Zone）。这些Zone的空闲内存的总和，对应的就是MemFree。那么对每个Zone的空闲内存，为了便于理解，我们可以拆分三个部分：lowmem reserve, high wmark, 和free left。

• lowmem_reserve

        每类Zone其lowmem reserve的大小可能不一样。该类空闲内存是避免跨zone分配内存时被“抢光”的情况。比如Normal Zone的内存分配不足时，会通过DMA Zone进行“借用”，而DMA的lowmem reserve是“家底”，不会被借用出去。

        需要注意的是，不是每个zone都有lowmem reserve（主要是Normal Zone和DMA Zone）。其计算方法：

        zone_managed_pages / sysctl_lowmem_reserve_ratio[zone_index]，这里Zone_managed_pages表示每个Zone的总内存，而sysctl_lowmem_reserve_ratio如下：

        

 

• high wmark

         表示高水位内存。linux内存的回收机制受水位线控制，一般分为最小水位线（min wmark）, 低水位线（low wmark）和高水位线（high wmark）。比如通过cat /proc/zoneinfo，我们可以看到如下关键信息：

  pages free    80916
        min      3072
        low      10533
        high    17994
        spanned  524288
        present  524288
        managed  466359　

        这里看到的high就是对应高水位线，对应17994个pages。

• free left

        每个Zone的Free 内存扣除掉上述high wmark和lowmem reserve之后的值。

        Available-part1计算规则：

        1）求出当前每个Zone的最大lowmem reserve，记max lowmem reserve

        2）每个Zone的free 内存扣除掉max lowmem reserve和high wmark

        3）将2）中剩余的free内存（等价于free left减去max lowmem reserve与lowmem reserve的差）相加

 

        接着，是PageCache部分。这里的PageCache是指Active(file)和Inactive(file)之和。这部分贡献给MemAvailble的有多少呢？

        通过图可以获知Available-part2的计算规则：

        1）比较当前系统设置的低水位线内存与1/2的PageCache，取最小者

        2）PageCache扣除1）中的最小者

        由此可知，PageCache贡献大于或者等于其50%的量。

 

        再者，看KReclaimable部分。该部分的Available-part3计算规则与PageCache的类似：

        1）比较当前系统设置的低水位内存与1/2的KReclaimable，取最小者

        2）KReclaimable扣除1）中的最小者

        同样，KReclaimable的贡献量大于或者等于其50%。

 

        最后，三个部分相加，即可得到MemAvailable=Available-part1 + Available-part2 + Availabel-part3。

 

        综上，我们至少可以得到如下结论：

• MemAvailable包含了MemFree的部分，以及可回收内存的部分

• MemFree是实际可直接分配使用的内存，但不是系统全部可用内存；

• MemAvailable的值受水位线的影响，即调整水位线（即影响MemAvailable的值）。

        另外，结合水位控制，从策略上你可以看出，通过high wmark之上的Free内存以及1/2（以上）的可回收内存纳入MemAvailable，表现的是比较“保守”和“安全”的做法，倾向于“能够”和“可信”地分配给出来的内存量统计（通俗将就是在我力所能及范围，“砸锅卖铁”——回收内存，就会满足你的需求）。而MemFree纯粹表征当前的空闲页，可以直接给分配的内存。但是MemFree会因为落入不同的水位区间，会触发不同的内存回收方式（kswapd回收和直接回收）。该部分属于水位控制与内存回收范畴，不在此处展开。

这样，我们可以回答文章开始提及的第二个问题：如何评估系统内存的紧张程度？两个参数需要结合看。如果MemFree很低，那么如果MemAvailable还很高（如600M），说明可回收的内存很高（PageCache+KReclaimable）。但是因为MemFree已经很低，比如10K，说明此时系统还没有及时回收内存（可能水位线设置较低，没有触发内存回收），导致很多进程处“等待“内存分配的状态（进入内存缓慢分配路径），系统性能将收到影响。但是如果MemFree与MemAvailable都很低，说明系统的内存真的已经接近消耗殆尽的状态。