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 ,  bytes
Physical Memory Array
    Location: System Board Or Motherboard
    Use: System Memory
    Error Correction Type: Single-bit ECC
    Maximum Capacity:  GB
    Error Information Handle: Not Provided
    Number Of Devices: 

Handle 0x0010, DMI type ,  bytes
Memory Module Information
    Socket Designation: DIMM06
    Bank Connections:
    Current Speed:  ns
    Type: DIMM
    Installed Size:  MB (Single-bank Connection)
    Enabled Size:  MB (Single-bank Connection)
    Error Status: OK

Handle 0x0011, DMI type ,  bytes
Memory Device
    Array Handle: 0x0005
    Error Information Handle: Not Provided
    Total Width:  bits
    Data Width:  bits
    Size:  MB
    Form Factor: DIMM
    Set: None
    Locator: DIMM06
    Bank Locator: BANK06
    Type: Other
    Type Detail: Unknown
    Speed:  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:
-/+ buffers/cache:
Swap:                            

　　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       .2G       .5G       1.2M       305M       .1G
-/+ buffers/cache:       .8G       .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 - :: up  days,  :,   users,  load average: 0.35, 0.23, 0.21
Tasks:  total,    running,  sleeping,    stopped,    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:   total,   used,   free,    buffers
KiB Swap:    total,         used,    free.   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
  mysql               S   0.7  2.5 :53.23 mysqld
  rabbitmq           S   1.7  2.0 :40.86 beam.smp
 nova                S   0.0  1.2  :42.08 nova-api
 nova                S   0.0  1.2  :44.65 nova-api
 nova                S   0.0  1.2  :47.23 nova-api
 nova                S   0.0  1.2  :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:
-/+ buffers/cache:
Swap:                                

　　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)    :  /  (77.6%)
 Active / Total Slabs (% used)      :  /  (100.0%)
 Active / Total Caches (% used)     :  /  (53.6%)
 Active / Total Size (% used)       : .00K / .77K (86.9%)
 Minimum / Average / Maximum Object : .01K / .20K / .75K

  OBJS ACTIVE  USE OBJ SIZE  SLABS OBJ/SLAB CACHE SIZE NAME
   %    .10K              86996K buffer_head
   %    .19K               50744K dentry
     %    .63K               48192K proc_inode_cache
    %    .96K               68096K ext4_inode_cache
     %    .06K                 3560K kmalloc-
     %    .04K                2060K ext4_extent_status
     %    .19K                 5848K kmalloc-
     %    .55K                15472K radix_tree_node
    %    .11K                 2948K sysfs_dir_cache
    %    .05K                  984K shared_policy_node
    %    .57K                 7264K inode_cache
     %    .07K                  824K anon_vma
       %    .03K                  284K kmalloc-
       %    .25K                 1688K kmalloc-
      %    .02K                  104K kmalloc-
       %    .12K                  820K kmalloc-
      %    .02K                  104K kmalloc-

　　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
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st

　　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
                |4630B  129k|         |         |
                |      708k|  53k 6732k|         |
                |     8192B|  34k 6595k|         |
                |       12k|  39k 6898k|         |
                |     4096B|  44k 7256k|         |
                |         |  38k 7109k|         |
                |       24k|  37k 7295k|         |
                |       12k|  36k 7482k|         |
                |     4096B|  37k 6923k|         |  

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
:   /sbin/init
Address           Kbytes Mode  Offset           Device    Mapping
00007fb45d59c000       r-x--  : libnss_files-2.19.so
00007fb45d5a7000     ----- 000000000000b000 : libnss_files-2.19.so
00007fb45d7a6000        r---- 000000000000a000 : libnss_files-2.19.so
00007fb45d7a7000        rw--- 000000000000b000 : libnss_files-2.19.so
00007fb45d7a8000       r-x--  : libnss_nis-2.19.so
00007fb45d7b3000     ----- 000000000000b000 : libnss_nis-2.19.so
00007fb45d9b2000        r---- 000000000000a000 : libnss_nis-2.19.so
00007fb45d9b3000        rw--- 000000000000b000 : 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。