【译】Linux系统和性能监控(5)
原文Linux System and Performance Monitoring，作者Darren Hoch。
转载自：http://www.708luo.com/?p=44
5.0 虚拟内存相关
虚拟内存使用磁盘作为内存的扩展，这样可用的“内存”就更多了。在内存不够时，内核会把最近没有使用的内存块写到磁盘上去。当这部分内存再次被访问时，会把这部分内容再从磁盘读取到物理内存中。这些操作对用户是完全透明的，Linux上的应用程序只是看到有大量的内存可用，但是不知道这些“内存”有部分是存储在磁盘上的。毫无疑问，读写磁盘比读写真正的内存要慢得多（顺序读写大概比内存慢1000倍），因此程序读写内存的时候，如果使用了大量的虚存，程序运行就慢了。磁盘作为虚存使用的那部分叫做交换空间/分区（swap space）。
5.1 虚存页
虚存是按页进行划分的，X86架构上的虚存页大小是4KB。内核进行虚存读写的时候，是按页进行的。内核在某些时候会将内存页写到交换空间和文件系统中。①
5.2 内存同步②（原文：kernel memory paging）
内存同步是一个常见的操作，不要和内存交换（页置换）搞混淆了。定期将内存同步到磁盘的过程称为内存映射。运行一段时间后，程序可能会慢慢将内存耗尽。在某个时刻，内核为了分配内存给其他程序（或者当前程序），可能需要将最近没有使用的内存置换到磁盘上去，如果之前已经把内存同步到了磁盘上，此时swapping的操作效率就提高了（不需要在swap前将内容同步到磁盘了）。
5.3 内存回收机制
内存回收机制是为了获取可用的物理内存，其挑选牺牲页的算法因内类型而异。一些页类型如下：
Unreclaimable——锁住的、内核使用的、保留的页
Swappable——匿名内存页，和交换分区相关的内存页
Syncable——和文件系统相关的内存页
Discardable——静态页、已废弃的页
除了不可回收页，其他类型页都可能被回收。
内存回收主要的有两大机制：kswapd和“Low on Memory Reclaim”。
5.4 kswapd
守护进程kswapd的作用是保证有一定的空闲内存可用。内核中有pages_high和pages_low两个指标，如果可用内存低于pages_low，kswapd进程开始尝试释放内存，每次释放32页的内存直到可用内存高于pages_high。
kswapd会执行如下的操作：
- 如果页面没有修改，将该页面放到空闲列表
- 如果页面已修改且是和文件系统相关的，将该页面内容写到磁盘 ③
- 如果页面已修改且不是和文件系统相关的（匿名页，对应到交换分区），将该页面内容写到交换设备
5.5 通过pdflush④完成内存同步（原文kernel paging with pdflush）
守护进程pdflush的作用是同步文件系统相关的内存页（Syncable）到磁盘。换句话说，当一个文件的内存副本被修改时，pdflush会将修改写回磁盘。
当内存中的脏页⑤超过10%时，pdflush将同步这些脏页到磁盘，10%这个参数值可由内核的vm.dirty_background_ratio调整。
绝大部分情况下，pdflush和内存回收机制是相互独立的。当内核调用Low on Memory Reclaim时，除了其他释放内存的操作，LMR还调用pdflush来同步过期页。
5.6 案例分析：
vmstat工具在统计CPU使用的同时也统计了虚存的使用情况。下面是vmstat输出中和虚存相关的一些指标：
| 列名 | 含义 |
| swpd | 当前使用的虚存数量，单位KB。当空闲内存达到下限时，会有更多的数据被置换到交换分区。 |
| free | RAM当前的可用内存，单位KB。 |
| buff | 物理内存作为read()和write()操作缓冲区部分的大小，单位KB。⑥ |
| cache | 物理内存映射到进程地址空间的大小，单位KB。⑥ |
| so | 写到交换分区的数据量，单位KB |
| si | 从交换分区写到RAM的数据量，单位KB |
| bo | RAM中置换到文件系统或者交换分区的磁盘块数量 |
| bi | 从文件系统或者交换分区置换到RAM中的磁盘块的数量 |
下面vmstat的输出，可以看出在一个IO型应用的尖峰时刻，有大量的虚存使用：
从上面的输出中，我们可以得到以下推论：
大量的磁盘块(bi)从文件系统交换到了内存中。这个可以通过cache的增长明显看出来。
在最后这段时间内，尽管数据从磁盘交换到内存中耗用了RAM，但空闲内存(free)一直保持在17MB。
为了维持可用的空闲内存，kswapd挪用了读写缓存(buff)，并将这些内存加入到空闲内存表中。这个可以从buff的减少看出来。
然后kswapd进程将一些脏页写到交换空间(so)，这个也可以通过虚存使用(swpd)的增长看出来。
5.7 结论
虚存的性能监控，一般包括以下几点：
- 大缺页越少，响应时间就更快。因为此时系统在使用内存而不是磁盘。
- 空闲内存较低是一个好的现象，表明了缓存正被高效使用，除非同时伴有持续的写交换分区的操作。
- 如果一个系统持续在操作交换分区，表明这个系统内存告紧。
译注：
①内存写到文件系统：比如在释放内存作为buffer使用的部分，需要将内存内容写到文件系统；内存写到交换分区：比如将实存置换到虚存的时候。
②原文中的memory paging指的应该不是内存分页机制，根据上下文指的应该是内存到磁盘的同步，译文中翻译为内存同步
③和文件系统相关的内存页，可能是内存中的buffer或cache部分。内存映射到swap file的部分，不确定是和文件系统相关还是和交换分区相关
④kswapd和pdflush的异同和关联：
相同点：两者都会把内存数据写到磁盘上
不同点：两者把内存数据写到磁盘的目的不同：kswapd是为了释放内存，但释放内存前需要先把这部分数据暂存到磁盘上；pdflush是为了同步内存和磁盘的数据。
关联：正如5.2提到的，pdflush操作会提高kswapd的效率。
⑤原文叫dirty page，一般翻译为脏页，是指缓存比对应的磁盘内容要新的内存页。
⑥原文这里对于的buffer和cache的解释，和很多资料查到的不一致，个人觉得原文这里的解释有点不妥。
buffer:内存用于缓存磁盘块以及文件元数据的部分，这部分数据可以通过块设备和块号直接访问
cache:内存用于缓存文件数据的部分，主要通过inode访问
