如何分析Linux内存、Swap、Cache和Buffer

# 如何分析Linux内存、Swap、Cache和Buffer

## 一、Linux内存管理概述

Linux内存管理是一个复杂的子系统，它负责高效地分配和回收物理内存。理解其工作机制需要掌握几个核心概念：

1. **物理内存**：实际安装在计算机中的RAM芯片容量
2. **虚拟内存**：通过分页机制为每个进程提供的抽象地址空间
3. **内存页**：Linux将内存划分为固定大小的块（通常4KB）
4. **OOM Killer**：内存耗尽时选择性终止进程的机制

现代Linux系统采用`Buddy分配器`管理物理内存页，配合`Slab分配器`处理小块内存请求。内存使用统计可通过`/proc/meminfo`文件查看。

## 二、关键内存指标解析

### 1. 内存类型详解

#### （1）Swap空间
- **本质**：磁盘上的虚拟内存区域
- **作用**：当物理内存不足时，将不活跃的页面换出到磁盘
- **配置建议**：
  - 传统建议：物理内存的1.5-2倍
  - 现代服务器：若内存充足（>32GB），可禁用或设置1-4GB

#### （2）Cache机制
- **磁盘缓存**：内核将最近访问的磁盘数据缓存在内存中
- **特点**：
  - 可快速回收（当应用需要内存时）
  - 包含文件系统元数据和文件内容
  - 通过`vmtouch`工具可查看文件缓存情况

#### （3）Buffer区域
- **原始块缓冲**：存储裸设备I/O的临时数据
- **典型场景**：
  - 文件系统元数据操作
  - 未格式化的磁盘读写
  - 直接块设备访问

### 2. 核心统计指标

通过`free -m`命令示例输出：

          total    used    free    shared  buff/cache   available

- **available**：真正可用的内存（包含可回收缓存）
- **shared**：多个进程共享的内存（如共享库）
- **buff/cache**：Buffer和Cache的合计值

## 三、专业分析工具集

### 1. 基础工具

#### （1）vmstat
```bash
vmstat -w 5  # 每5秒刷新一次

smem -t -k -u -p

perf stat -e 'memory:*' -a sleep 10

pidstat -r 1  # 监控各进程内存增长

valgrind --leak-check=full ./application

sar -W 1  # 页面交换统计

for file in /proc/*/status ; do awk '/VmSwap|Name/{printf $2 " " $3}END{ print ""}' $file; done | sort -k 2 -n -r | head

echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches  # 1-清页缓存，2-清inode，3-全部

vm.vfs_cache_pressure = 100  # 控制内核回收inode/dentry缓存的倾向
vm.swappiness = 60          # 默认值，服务器建议设为10-30

- name: node_memory
  rules:
  - record: memory:utilization
    expr: 100 - (node_memory_MemAvailable_bytes / node_memory_MemTotal_bytes) * 100

- alert: HighSwapUsage
  expr: node_memory_SwapTotal_bytes - node_memory_SwapFree_bytes > 1.5 * 1024^3
  for: 30m

resources:
  limits:
    memory: "4Gi"
  requests:
    memory: "2Gi"

echo "memory.high=3G" > /sys/fs/cgroup/mycgroup/memory.high