从free说起

以centos7为例,free命令结果如下：

[root@lh ~]# free -w
 total used free shared buffers cache available
Mem: 24473612 482400 23777212 17532 2108 211892 23665672
Swap: 12320764 0 12320764

从结果中，我们可以看出：

total = used + free + buffers + cache

total、used自不必说，其他字段意义如下：

shared：多进程共享内存数

buffers/cache：缓存内存数,物理内存不足时,系统会释放一部分缓存

free：空余内存数

available：可用内存数

swap: 交换分区,将不常用的数据置换到磁盘

为了进一步理解这几个概念，就从内存的空间模型说起。

操作系统中的内存

内存的空间模型

在内存中运行的每个进程都需要使用到内存，但是不是每个进行都需要每时每刻都使用系统分配的内存空间。

当系统所需内存超过实际的物理内存时，内核会释放某些进程所"占用但未使用"的物理内存，把这些资料存储在磁盘上，并将释放出来的内存提供给有需要进程使用。

进程的空间模型展示的是进程所使用的逻辑内存。换句话说，如果你的程序每sleep一段时间后打印一次内存的地址空间，就会发现，进程的地址空间并未改变，但对应的物理内存的地址可能已经改变很多次了。

虚拟内存管理与周边系统关系

内存管理系统负责文件 Cache 的分配和回收，同时虚拟内存管理系统(VMM)则允许应用程序和文件 Cache 之间通过 memory map的方式交换数据
虚拟文件系统VFS负责在应用程序和文件 Cache 之间通过 read/write 等接口交换数据
具体文件系统，如 ext2/ext3、jfs、ntfs 等，负责在文件 Cache和存储设备之间交换数据

Cache、文件及磁盘间关系

文件Cache分为两个层面，Page Cache和Buffer Cache，每一个 Page Cache 包含若干 Buffer Cache。
内存管理系统和 VFS 只与 Page Cache 交互，内存管理系统负责维护每项 Page Cache 的分配和回收，同时在使用 memory map 方式访问时负责建立映射；VFS 负责 Page Cache 与用户空间的数据交换。
具体文件系统一般只与 Buffer Cache 交互，它们负责在外围存储设备和 Buffer Cache 之间交换数据。

交换分区

为了满足物理内存不足而利用磁盘空间虚拟出一块逻辑内存，用作虚拟内存的空间。

交换机制如下：

Linux系统会不时的进行页面交换操作，以保持尽可能多的空闲物理内存，即使并没有什么需要内存，Linux也会交换出暂时不用的内存页面，这样的可以避免等待交换所需的时间。
Linux内存管理中，通过调页paging和交换swapping来完成上述的内存调度。调页算法是把内存中最近不常使用的页面换到磁盘中，把活动页面保留在内存中供进程使用。
分页写入磁盘的过程为：page-out，分页从硬盘重新回到内存的过程被称为page-in,内核需要一个分页的时候，发现此分页不再内存中，就会发生page fault。

内存性能指标

内存容量

容量越大,性能越好。但也需要和主板、操作系统等配套。

在Windows中我们可以通过命令行查看出当前系统支持的最大内存是多少：

C:\Users\SOMEONE>wmic memphysical get maxcapacity
MaxCapacity
16777216

命令结果的单位为KB,因此，此电脑支持的最大内存为16GB

内存等待时间

内存等待时间，表示系统进入数据存取操作就绪状态前等待内存响应的时间。

目前业界优化的方式有：

多级缓存和预取技术
多线程及乱序执行技术
集成式内存控制器
内存集成到处理器中

内存带宽

内存带宽=(传输倍率×总线位宽×工作频率)÷8

内存总线位宽：受内存引脚数量的限制，可将内存集成到处理器中，摆脱限制

内存工作频率：受芯片发热和工艺限制

内存传输倍率：DDR是SDRAM的2倍

目前各代内存的指标如下：

总结

从开发角度看

在性能要求高的情况下编程，我们应该注意：

尽量使用内存池，避免频繁地申请和释放内存;
热度比较高的内容应缓存在内存中，避免频繁地从磁盘中读取。

从测试的角度看

磁盘的性能测试过程中，进程读取的数据有可能在磁盘,也有可能在内存,导致测试结果时好时坏,所以在测试过程中应该注意：

在不要求精确的情况下，尽量让读写的数据大小远大于内存容量;
在要求精确的情况下，应使用特定的工具如iozone、fio等，开启从磁盘直接读取的模式进行测试;
在进行分布式系统的性能测试时，应该注意分析清楚服务端和客户端双方的内存缓存带来的影响，然后再设置相应的测试方案。