free -m中的cache是什么？为什么会占用那么高

原创2022-01-06 12:48·葫芦儿的成长记录

环境

  • 红帽企业 Linux（所有版本）
  • JBoss 企业应用程序平台 (EAP) - 所有版本

Issue

  • 什么是cache在free -m输出以及为什么内存利用率高cache?
  • 如何通过分析 Heap 创建新的 JBoss 服务器实例所需的内存容量freeJBoss 中的命令输出，如果已经有一个 JBoss 实例在运行？
  • 为什么缓存使用了大量内存？
  • 缓存中经常充分利用物理内存

解决

"free -m" 命令的输出结果中的 Cache 是什么?

它表示当前被 Page chche 占用的内存容量，即 RAM 容量。Page cache 是被放到 RAM 上的曾经读或写操作所用到的文件或实际数据的副本。

拥有缓存机制有什么好处？当执行读或者写操作的时候，内核首先将所要的数据放到 RAM。

读取操作： 去磁盘找到数据 --> 把数据从磁盘存到 RAM --> 执行读操作

写操作： - 去磁盘找到数据 --> 把数据从磁盘存到 RAM --> 执行写操作 --> 把修改的数据复制到磁盘

  • 不论是访问外部存储还是本地存储，总是慢于直接访问 RAM，因为磁盘读取速度慢于 RAM 的读取速度。如果某文件持续地被读取或者修改，访问磁盘是一种资源消耗。在 Cache 的帮助下，文件会在 RAM 保存一段时间，这样就不用每次都去磁盘读或者修改数据。经过一段时间后，Cache 上的数据会被同步到磁盘。
  • 把文件存到 RAM 里大大提高了处理速度，因为与从本地磁盘访问文件相比，它减少了大量的文件访问时间。这也间接地提高了计算机的整体性能。

下面的示例演示了缓存如何提高整体性能：

[root@sourcedb ~]# cat >aaa   #写入文件aaa
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^C
[root@sourcedb ~]# 
[root@sourcedb ~]# cat aaa  #查看内容
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[root@sourcedb ~]# sync
[root@sourcedb ~]# echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches   #清空cache
如果您系统的 IO 操作频繁，我们不建议您使用这条命令。请不要在生产环境中使用以下命令。
[root@sourcedb ~]# time cat aaa
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real	0m0.018s      #实际为0.018s
user	0m0.000s
sys	0m0.006s
[root@sourcedb ~]# time cat aaa 
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real	0m0.001s   #实际为0.001s   从缓存中读取速度明显大于0.018
user	0m0.000s
sys	0m0.001s
因此，只要有空闲内存，内核将始终尝试利用它来将所需文件保存为缓存。

如果没有可用 RAM 并且新进程需要可用 RAM，会发生什么情况？ 当一个新的进程需要 RAM 的空页时，内核会检查 cache 是否有空页，并且把 cache 里的文件同步到本地磁盘，从而收回空页，释放 RAM 给新的进程

有关“free -m”命令输出的详细说明：-

# free -m
             total       used       free     shared    buffers     cached
Mem:          3753       3455        298          0        144        664
-/+ buffers/cache:       2645       1107 <<--  Actual Free RAM
Swap:         4095         75       4020
  • 上述实例中，RAM 内存总量为 3753 MB。其中 3455 MB 被占用，298 MB 为剩余容量。
  • 在 "free -m" 输出结果中，cache 和 buffers 也被算作实际占用的 RAM 容量，但这并不符合事实。
  • 在被占用的 3455 MB 内存中，一部分被用作 cache 或 buffer。如上所述，当没有空余的 RAM 容量分配给新进程时，就可以回收 cache 和 buffer 的内存。所以我们可以把 "Cache" 和 "buffer" 看作空余 RAM。因此可以根据以下公式计算实际剩余 RAM 的容量。
  • Actual Free RAM = "free" + "buffers" + "cached" = 298 + 144 + 664 = 1106 在 "free -m" 命令输出的第二行的 "free" 值约为 1107。

为什么 cache 要占用那么多的内存？

  • 对于一个 Linux 虚拟内存管理器来说这是正常现象。为了理解为什么在正常情况下cache内存那么高，您必须先了解linux是如何处理 I/O的。当某用户读或者写文件时，它实际上是修改主内存的副本。内核会在磁盘里创建一个副本，必要时会对其修改。被这些副本所占用的内存就叫做 cached memory。
  • 当用户进程发起读或者写操作时，就会消耗 cache 内存。内核会查找用户正在操作的文件副本，如果没有的话，它会在 cache 里分配出一个新的页面，并且从磁盘里读出相应的数据填充它。如果用户只是读这个文件，这一页会被标注成 "clean" cache 页。然而，只要用户写该文件，这一页会被标注成 "dirty"。出现在 ps 里被称做 pdflush 的内核线程会定期被唤醒，并将所有标记为 dirty 的页面复制到磁盘，然后把它们标记为 clean。注意该页面只能被重新标记为 clean，由于之后可能会对该文件做进一步的 IO 操作，该页面被重新写回时并不会被释放。
  • 当内核需要内存时，cache 页才会被释放。我们没有必要把 cache 页转换成空页，因为从磁盘读取 cache 页可以加快 IO 速率，而且释放一个 cache 页和分配一个空页一样简单，此外一个空页对于系统执行也没有任何作用。如果 cache 页占满了内存，当下一次内核需要内存时，它会简单地逐出最近最少使用的 clean 页并重新利用它们。
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