Linux上的free命令详解

解释一下Linux上free命令的输出。

　　下面是free的运行结果，一共有4行。为了方便说明，我们加上了列号。这样可以把free的输出看成一个二维数组FO(Free Output)。例如：

FO[2][1] = 999212
FO[3][2] = 305404

<!--

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-->                          1          2          3         4         5           6
1                       total       used       free     shared    buffers     cached
2 Mem:                  999212     967476     31736          0      50668     223000
3  -/+ buffers/cache:               693808     305404
4 Swap:                 2048276    154524     1893752

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　　free的输出一共有四行，第四行为交换区的信息，分别是交换的总量（total），使用量（used）和有多少空闲的交换区（free），这个比较清楚，不说太多。

　　free输出地第二行和第三行是比较让人迷惑的。这两行都是说明内存使用情况的。第一列是总量（free），第二列是使用量（free），第三列是可用量（free）。第一行的输出时从操作系统（OS）来看的。也就是说，从OS的角度来看，计算机上一共有:

999212KB（缺省时free的单位为KB）物理内存，即FO[2][1]；
在这些物理内存中有967476KB（即FO[2][2]）被使用了；
还用31736KB（即FO[2][3]）是可用的；

这里得到第一个等式：

FO[2][1] = FO[2][2] + FO[2][3]

FO[2][4]表示被几个进程共享的内存的，现在已经deprecated，其值总是0（当然在一些系统上也可能不是0，主要取决于free命令是怎么实现的）。

FO[2][5]表示被OS buffer住的内存。FO[2][6]表示被OS cache的内存。在有些时候buffer和cache这两个词经常混用。不过在一些比较低层的软件里是要区分这两个词的，看老外的洋文:

A buffer is something that has yet to be "written" to disk.

A cache is something that has been "read" from the disk and stored for later use.

也就是说buffer是用于存放要输出到disk（块设备）的数据的，而cache是存放从disk上读出的数据。这二者是为了提高IO性能的，并由OS管理。

Linux和其他成熟的操作系统（例如windows），为了提高IO read的性能，总是要多cache一些数据，这也就是为什么FO[2][6]（cached memory）比较大，而FO[2][3]比较小的原因。我们可以做一个简单的测试:

释放掉被系统cache占用的数据；

<!--

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-->echo 3 >/proc/sys/vm/drop_caches

读一个大文件，并记录时间；
关闭该文件；
重读这个大文件，并记录时间；

第二次读应该比第一次快很多。原来我做过一个BerkeleyDB的读操作，大概要读5G的文件，几千万条记录。在我的环境上，第二次读比第一次大概可以快9倍左右。

　　free输出的第二行是从一个应用程序的角度看系统内存的使用情况。

对于FO[3][2]，即-buffers/cache，表示一个应用程序认为系统被用掉多少内存；
对于FO[3][3]，即+buffers/cache，表示一个应用程序认为系统还有多少内存；

因为被系统cache和buffer占用的内存可以被快速回收，所以通常FO[3][3]比FO[2][3]会大很多。

这里还用两个等式：

FO[3][2] = FO[2][2] - FO[2][5] - FO[2][6]
FO[3][3] = FO[2][3] + FO[2][5] + FO[2][6]

这二者都不难理解。

　　free命令由procps.*.rpm提供（在Redhat系列的OS上）。free命令的所有输出值都是从/proc/meminfo中读出的。

在系统上可能有meminfo(2)这个函数，它就是为了解析/proc/meminfo的。procps这个包自己实现了meminfo()这个函数。可以下载一个procps的tar包看看具体实现，现在最新版式3.2.8。

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$ free

total used free shared buffers cached

Mem: 255268 238332 16936 0 85540 126384

-/+ buffers/cache: 26408 228860

Swap: 265000 0 265000

　　Mem：表示物理内存统计

-/+ buffers/cached：表示物理内存的缓存统计

Swap：表示硬盘上交换分区的使用情况，这里我们不去关心。

系统的总物理内存：255268Kb（256M），但系统当前真正可用的内存b并不是第一行free 标记的16936Kb，它仅代表未被分配的内存。

我们使用total1、used1、free1、used2、free2 等名称来代表上面统计数据的各值，1、2 分别代表第一行和第二行的数据。

　　total1： 表示物理内存总量。

used1： 表示总计分配给缓存（包含buffers 与cache ）使用的数量，但其中可能部分缓存并未实际使用。

free1： 未被分配的内存。

shared1： 共享内存，一般系统不会用到，这里也不讨论。

buffers1： 系统分配但未被使用的buffers 数量。

cached1： 系统分配但未被使用的cache 数量。buffer 与cache 的区别见后面。

used2： 实际使用的buffers 与cache 总量，也是实际使用的内存总量。

free2： 未被使用的buffers 与cache 和未被分配的内存之和，这就是系统当前实际可用内存。

　　可以整理出如下等式：

total1 = used1 + free1

total1 = used2 + free2

used1 = buffers1 + cached1 + used2

free2 = buffers1 + cached1 + free1

　　buffer 与cache 的区别

A buffer is something that has yet to be "written" to disk.

A cache is something that has been "read" from the disk and stored for later use.

　　更详细的解释参考：Difference Between Buffer and Cache

对于共享内存（Shared memory），主要用于在UNIX 环境下不同进程之间共享数据，是进程间通信的一种方法，一般的应用程序不会申请使用共享内存，笔者也没有去验证共享内存对上面等式的影响。如果你有兴趣， 请参考：What is Shared Memory?

　　cache 和buffer的区别：

Cache： 高速缓存，是位于CPU与主内存间的一种容量较小但速度很高的存储器 。由于CPU的速度远高于主内存，CPU直接从内存中存取数据要等待一定时间周 期，Cache中保存着CPU刚用过或循环使用的一部分数据，当CPU再次使用该部分数据时可从Cache中直接调用,这样就减少了CPU的等待时间,提 高了系统的效率。Cache又分为一级Cache(L1 Cache)和二级Cache(L2 Cache)，L1 Cache集成在CPU内部，L2 Cache早期一般是焊在主板上,现在也都集成在CPU内部，常见的容量有256KB或512KB
L2 Cache。

Buffer：缓冲区，一个用于存储速度不同步的设备 或优先级不同的设备 之间传输数据的区域。通过缓冲区，可以使进程之间的相互等待变少，从而使从速度慢的设备读入数据时，速度快的设备的操作进程不发生间断。

　　Free中的buffer和cache：（它们都是占用内存）：

buffer: 作为buffer cache的内存 ，是块 设备的读写缓冲区

cache: 作为page cache的内存, 文件系统的cache

　　如果cache 的值很大，说明cache住的文件数很多。如果频繁访问到的文件都能被cache住，那么磁盘的读IO bi会非常小。

Buffer和Cache的区别

缓存（cached）是把读取过的数据 保存起来，重新读取时若命中（找到需要的数据）就不要去读硬盘了，若没有命中就读硬盘。其中的数据会根据读取频率进行组织，把最频繁读取的内容放在最容易找到的位置，把不再读的内容不断往后排，直至从中删除。

缓冲（buffers）是根据磁盘的读写 设计的，把分散的写操作集中进行，减少磁盘碎片和硬盘的反复寻道，从而提高系统性能。linux有一个守护进程定 期清空缓冲内容（即写如磁盘），也可以通过sync命令手动清空缓冲。举个例子吧：我这里有一个ext2的U盘，我往里面cp一个3M的MP3，但U盘的 灯没有跳动，过了一会儿（或者手动输入sync）U盘的灯就跳动起来了。卸载设备时会清空缓冲，所以有些时候卸载一个设备时要等上几秒钟。

修改/etc/sysctl.conf中的vm.swappiness右边的数字可以在下次开机时调节swap使用策略。该数字范围是0～100，数字越大越倾向于使用swap。默认为60，可以改一下试试。

两者都是RAM中的数据。简单来说，buffer是即将要被写入磁盘的，而cache是被从磁盘中读出来的。

buffer是由各种进程分配的，被用在如输入队列等方面，一个简单的例子如某个进程要求有多个字段读入，在所有字段被读入完整之前，进程把先前读入的字段放在buffer中保存。

cache经常被用在磁盘的I/O请求上，如果有多个进程都要访问某个文件，于是该文件便被做成cache以方便下次被访问，这样可提供系统性能。

Linux的内存管理，实际上跟windows的内存管理有很相像的地方，都是用虚拟内存这个的概念，说到这里不得 不骂MS，为什么在很多时候还有很大的物理内存的时候，却还是用到了pagefile. 所以才经常要跟一帮人吵着说Pagefile的大小，以及如何分配这个问题，在Linux大家就不用再吵什么swap大小的问题，我个人认为，swap设
个512M已经足够了，如果你问说512M的SWAP不够用怎么办？只能说大哥你还是加内存吧，要不就检查你的应用，是不是真的出现了memory leak.

在Linux下查看内存我们一般用command free

[root@nonamelinux ~]# free

total used free shared buffers cached

Mem: 386024 377116 8908 0 21280 155468

-/+ buffers/cache: 200368 185656

Swap: 393552 0 393552

下面是对这些数值的解释：

第二行(mem)：

total:总计物理内存的大小。

used:已使用多大。

free:可用有多少。

Shared:多个进程共享的内存总额。

Buffers/cached:磁盘缓存的大小。

第三行(-/+ buffers/cached):

used:已使用多大。

free:可用有多少。

第四行就不多解释了。

区别：

第二行(mem)的used/free与第三行(-/+ buffers/cache) used/free的区别。

这两个的区别在于使用的角度来看，第一行是从OS的角度来看，因为对于OS，buffers/cached 都是属于被使用，所以他的可用内存是8908KB,已用内存是377116KB,其中包括，内核（OS）使用+Application(X,oracle,etc)使用的+buffers+cached.

第三行所指的是从应用程序角度来看，对于应用程序来说，buffers/cached 是等于可用的，因为buffer/cached是为了提高文件读取的性能，当应用程序需在用到内存的时候，buffer/cached会很快地被回收。

所以从应用程序的角度来说，可用内存=系统free（memory+buffers+cached.）

如上例：

185656 = 8908+21280+155468

接下来解释什么时候内存会被交换，以及按什么方交换。

当可用内存少于额定值的时候，就会开会进行交换.

如何看额定值（RHEL4.0）：

#cat /proc/meminfo

交换将通过三个途径来减少系统中使用的物理页面的个数：　

1.减少缓冲与页面cache的大小，

2.将系统V类型的内存页面交换出去，　

3.换出或者丢弃页面。(Application 占用的内存页，也就是物理内存不足）。

事实上，少量地使用swap是不是影响到系统性能的。