free 命令顯示系統(tǒng)內(nèi)存的使用情況，包括物理內(nèi)存、交換內(nèi)存(swap)和內(nèi)核緩沖區(qū)內(nèi)存

如果加上 -h 選項，輸出的結(jié)果會友好很多：

有時我們需要持續(xù)的觀察內(nèi)存的狀況，此時可以使用 -s 選項并指定間隔的秒數(shù)：

上面的命令每隔 3 秒輸出一次內(nèi)存的使用情況，直到你按下 ctrl + c。

由于 free 命令本身比較簡單，所以本文的重點會放在如何通過 free 命令了解系統(tǒng)當(dāng)前的內(nèi)存使用狀況。

輸出簡介
下面先解釋一下輸出的內(nèi)容：
Mem 行(第二行)是內(nèi)存的使用情況。
Swap 行(第三行)是交換空間的使用情況。
total 列顯示系統(tǒng)總的可用物理內(nèi)存和交換空間大小。
used 列顯示已經(jīng)被使用的物理內(nèi)存和交換空間。
free 列顯示還有多少物理內(nèi)存和交換空間可用使用。
shared 列顯示被共享使用的物理內(nèi)存大小。
buff/cache 列顯示被 buffer 和 cache 使用的物理內(nèi)存大小。
available 列顯示還可以被應(yīng)用程序使用的物理內(nèi)存大小。

我想只有在理解了一些基本概念之后，上面的輸出才能幫助我們了解系統(tǒng)的內(nèi)存狀況。

buff/cache
先來提一個問題： buffer 和 cache 應(yīng)該是兩種類型的內(nèi)存，但是 free 命令為什么會把它們放在一起呢？要回答這個問題需要我們做些準(zhǔn)備工作。讓我們先來搞清楚 buffer 與 cache 的含義。

buffer 在操作系統(tǒng)中指 buffer cache， 中文一般翻譯為 “緩沖區(qū)”。要理解緩沖區(qū)，必須明確另外兩個概念：“扇區(qū)” 和 “塊”。扇區(qū)是設(shè)備的最小尋址單元，也叫 “硬扇區(qū)” 或 “設(shè)備塊”。塊是操作系統(tǒng)中文件系統(tǒng)的最小尋址單元，也叫 “文件塊” 或 “I/O 塊”。每個塊包含一個或多個扇區(qū)，但大小不能超過一個頁面，所以一個頁可以容納一個或多個內(nèi)存中的塊。當(dāng)一個塊被調(diào)入內(nèi)存時，它要存儲在一個緩沖區(qū)中。每個緩沖區(qū)與一個塊對應(yīng)，它相當(dāng)于是磁盤塊在內(nèi)存中的表示(下圖來自互聯(lián)網(wǎng))：在這里插入圖片描述

注意，buffer cache 只有塊的概念而沒有文件的概念，它只是把磁盤上的塊直接搬到內(nèi)存中而不關(guān)心塊中究竟存放的是什么格式的文件。

cache 在操作系統(tǒng)中指 page cache，中文一般翻譯為 “頁高速緩存”。頁高速緩存是內(nèi)核實現(xiàn)的磁盤緩存。它主要用來減少對磁盤的 I/O 操作。具體地講，是通過把磁盤中的數(shù)據(jù)緩存到物理內(nèi)存中，把對磁盤的訪問變?yōu)閷ξ锢韮?nèi)存的訪問。頁高速緩存緩存的是內(nèi)存頁面。緩存中的頁來自對普通文件、塊設(shè)備文件(這個指的就是 buffer cache 呀)和內(nèi)存映射文件的讀寫。
頁高速緩存對普通文件的緩存我們可以這樣理解：當(dāng)內(nèi)核要讀一個文件(比如 /etc/hosts)時，它會先檢查這個文件的數(shù)據(jù)是不是已經(jīng)在頁高速緩存中了。如果在，就放棄訪問磁盤，直接從內(nèi)存中讀取。這個行為稱為緩存命中。如果數(shù)據(jù)不在緩存中，就是未命中緩存，此時內(nèi)核就要調(diào)度塊 I/O 操作從磁盤去讀取數(shù)據(jù)。然后內(nèi)核將讀來的數(shù)據(jù)放入頁高速緩存中。這種緩存的目標(biāo)是文件系統(tǒng)可以識別的文件(比如 /etc/hosts)。
頁高速緩存對塊設(shè)備文件的緩存就是我們在前面介紹的 buffer cahce。因為獨(dú)立的磁盤塊通過緩沖區(qū)也被存入了頁高速緩存(緩沖區(qū)最終是由頁高速緩存來承載的)。

到這里我們應(yīng)該搞清楚了：無論是緩沖區(qū)還是頁高速緩存，它們的實現(xiàn)方式都是一樣的。緩沖區(qū)只不過是一種概念上比較特殊的頁高速緩存罷了。
那么為什么 free 命令不直接稱為 cache 而非要寫成 buff/cache？ 這是因為緩沖區(qū)和頁高速緩存的實現(xiàn)并非天生就是統(tǒng)一的。在 linux 內(nèi)核 2.4 中才將它們統(tǒng)一。更早的內(nèi)核中有兩個獨(dú)立的磁盤緩存：頁高速緩存和緩沖區(qū)高速緩存。前者緩存頁面，后者緩存緩沖區(qū)。當(dāng)你知道了這些故事之后，輸出中列的名稱可能已經(jīng)不再重要了。

free 與 available
在 free 命令的輸出中，有一個 free 列，同時還有一個 available 列。這二者到底有何區(qū)別？
free 是真正尚未被使用的物理內(nèi)存數(shù)量。至于 available 就比較有意思了，它是從應(yīng)用程序的角度看到的可用內(nèi)存數(shù)量。Linux 內(nèi)核為了提升磁盤操作的性能，會消耗一部分內(nèi)存去緩存磁盤數(shù)據(jù)，就是我們介紹的 buffer 和 cache。所以對于內(nèi)核來說，buffer 和 cache 都屬于已經(jīng)被使用的內(nèi)存。當(dāng)應(yīng)用程序需要內(nèi)存時，如果沒有足夠的 free 內(nèi)存可以用，內(nèi)核就會從 buffer 和 cache 中回收內(nèi)存來滿足應(yīng)用程序的請求。所以從應(yīng)用程序的角度來說，available = free + buffer + cache。請注意，這只是一個很理想的計算方式，實際中的數(shù)據(jù)往往有較大的誤差。

交換空間(swap space)

swap space 是磁盤上的一塊區(qū)域，可以是一個分區(qū)，也可以是一個文件。所以具體的實現(xiàn)可以是 swap 分區(qū)也可以是 swap 文件。當(dāng)系統(tǒng)物理內(nèi)存吃緊時，Linux 會將內(nèi)存中不常訪問的數(shù)據(jù)保存到 swap 上，這樣系統(tǒng)就有更多的物理內(nèi)存為各個進(jìn)程服務(wù)，而當(dāng)系統(tǒng)需要訪問 swap 上存儲的內(nèi)容時，再將 swap 上的數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中，這就是常說的換出和換入。交換空間可以在一定程度上緩解內(nèi)存不足的情況，但是它需要讀寫磁盤數(shù)據(jù)，所以性能不是很高。

現(xiàn)在的機(jī)器一般都不太缺內(nèi)存，如果系統(tǒng)默認(rèn)還是使用了 swap 是不是會拖累系統(tǒng)的性能？理論上是的，但實際上可能性并不是很大。并且內(nèi)核提供了一個叫做 swappiness 的參數(shù)，用于配置需要將內(nèi)存中不常用的數(shù)據(jù)移到 swap 中去的緊迫程度。這個參數(shù)的取值范圍是 0～100，0 告訴內(nèi)核盡可能的不要將內(nèi)存數(shù)據(jù)移到 swap 中，也即只有在迫不得已的情況下才這么做，而 100 告訴內(nèi)核只要有可能，盡量的將內(nèi)存中不常訪問的數(shù)據(jù)移到 swap 中。在 ubuntu 系統(tǒng)中，swappiness 的默認(rèn)值是 60。如果我們覺著內(nèi)存充足，可以在 /etc/sysctl.conf 文件中設(shè)置 swappiness：

vm.swappiness=10
如果系統(tǒng)的內(nèi)存不足，則需要根據(jù)物理內(nèi)存的大小來設(shè)置交換空間的大小。具體的策略網(wǎng)上有很豐富的資料，這里筆者不再贅述。
/proc/meminfo 文件
其實 free 命令中的信息都來自于 /proc/meminfo 文件。/proc/meminfo 文件包含了更多更原始的信息，只是看起來不太直觀：

$ cat /proc/meminfo

在這里插入圖片描述

有興趣的同學(xué)可以直接查看這個文件。

總結(jié)
free 命令是一個既簡單又復(fù)雜的命令。簡單是因為這個命令的參數(shù)少，輸出結(jié)果清晰。說它復(fù)雜則是因為它背后是比較晦澀的操作系統(tǒng)中的概念，如果不清楚這些概念，即便看了 free 命令的輸出也 get 不到多少有價值的信息。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的腾讯面试题 linux下free命令详解的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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