Linux 调试系列文章

[[Linux 性能调优1——CPU]]
[[Linux 性能调优2——Memory(Processing)]]

调试工具总览

Brendan D. Gregg 维护了一份Linux性能调优工具的蓝图Linux Performance Tools，针对Linux系统的各个组件都有相应的分析工具，一目了然。

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基本原理

linux内核内存管理

  • 【批发】linux内核基于伙伴算法管理物理内存页

  • 【零售】linux内核基于slab管理内存

  • linux内核所用物理内存大小统计

linux进程内存管理

malloc() 是 C 标准库提供的内存分配函数，对应到系统调用上，有两种实现方式，即 brk() 和 mmap()

对小块内存（小于 128K），C 标准库使用 brk() 来分配，也就是通过移动堆顶的位置来分配内存。这些内存释放后并不会立刻归还系统，而是被缓存起来，这样就可以重复使用。

对大块内存（大于 128K），则直接使用内存映射 mmap() 来分配，也就是在文件映射段找一块空闲内存分配出去

各自的优缺点：

  • brk() 方式的缓存，可以减少缺页异常的发生，提高内存访问效率；不过，由于这些内存没有归还系统，在内存工作繁忙时，频繁的内存分配和释放会造成内存碎片

  • mmap() 方式分配的内存，会在释放时直接归还系统，所以每次 mmap 都会发生缺页异常。在内存工作繁忙时，频繁的内存分配会导致大量的缺页异常，使内核的管理负担增大

整体来说，Linux 使用伙伴系统来管理内存分配。前面我们提到过，这些内存在 MMU 中以页为单位进行管理，伙伴系统也一样，以页为单位来管理内存，并且会通过相邻页的合并，减少内存碎片化（比如 brk 方式造成的内存碎片）

虚拟内存

  • 进程独享虚拟地址空间（32位） ０～３Ｇ
  • 进程内分段管理内存空间

代码段
数据段
heap
malloc()
stack
文件映射，匿名映射 mmap()

进程内存按照用途分类

物理内存

进程所用物理内存大小统计

  • PSS

一个进程所使用的内存可通过PSS和RSS来衡量。 计算进程的Pss: $ cat /proc/1/smaps | grep Pss | awk ‘{total+=$2}; END {print total}’
把一个共享库占用的内存，分摊到使用了这个共享库的各个进程头上

  • RSS(不合理)

把共享库占用的内存直接加到每个进程头上

  • USS

进程独自占用的物理内存（不包含共享库占用的内存）

内存回收

在用户空间，malloc 通过 brk() 分配的内存，在释放时并不立即归还系统，而是缓存起来重复利用。在内核空间，Linux 通过 slab 分配器来管理小内存，可以把 slab 看成构建在伙伴系统上的一个缓存，主要作用就是分配并释放内核中的小对象

系统也不会任由某个进程用完所有内存。在发现内存紧张时，系统就会通过一系列机制来回收内存：

  • 回收缓存，比如使用 LRU（Least Recently Used）算法，回收最近使用最少的内存页面

  • 回收不常访问的内存，把不常用的内存通过交换分区直接写到磁盘中（会用到交换分区）

  • 杀死进程，内存紧张时系统还会通过 OOM（Out of Memory），直接杀掉占用大量内存的进程

OOM是内核的一种保护机制。它监控进程的内存使用情况，并且使用 oom_score 为每个进程的内存使用情况进行评分：

  • 进程消耗的内存越大，oom_score 就越大

  • 进程运行占用的 CPU 越多，oom_score 就越小

可以手动设置进程的oom_adj来调整oom_score。oom_adj的范围是[-17, 15]，数值越大，进程越容易被OOM杀死；反之，越不容易被OOM杀死

回收时机

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2
3
echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches   # "clean" page cache
echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches # shrink slab(dentry & inode)
echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches

回收方式

  • 页回写 直接释放物理页面
  • 页交换 回写到swap分区，然后释放物理页面
  • OOM Killer （较为暴力，应尽量避免）

性能指标

工具汇总

free命令

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# 注意不同版本的free输出可能会有所不同
$ free
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:        8169348      263524     6875352         668     1030472     7611064
Swap:             0           0           0
  • 第一列，total 是总内存大小；
  • 第二列，used 是已使用内存的大小，包含了共享内存；
  • 第三列，free 是未使用内存的大小；
  • 第四列，shared 是共享内存的大小；
  • 第五列，buff/cache 是缓存和缓冲区的大小；
  • 最后一列，available 是新进程可用内存的大小

注意：available 不仅包含未使用内存，还包括了可回收的缓存，所以一般会比未使用内存更大。不过，并不是所有缓存都可以回收，因为有些缓存可能正在使用中

  1. top命令

可以查看每个进程的内存使用情况

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# 按下M切换到内存排序
$ top
...
KiB Mem :  8169348 total,  6871440 free,   267096 used,  1030812 buff/cache
KiB Swap:        0 total,        0 free,        0 used.  7607492 avail Mem


  PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND
  430 root      19  -1  122360  35588  23748 S   0.0  0.4   0:32.17 systemd-journal
 1075 root      20   0  771860  22744  11368 S   0.0  0.3   0:38.89 snapd
 1048 root      20   0  170904  17292   9488 S   0.0  0.2   0:00.24 networkd-dispat
    1 root      20   0   78020   9156   6644 S   0.0  0.1   0:22.92 systemd
12376 azure     20   0   76632   7456   6420 S   0.0  0.1   0:00.01 systemd
12374 root      20   0  107984   7312   6304 S   0.0  0.1   0:00.00 sshd
...

主要的几个信息：

  • VIRT 是进程虚拟内存的大小，只要是进程申请过的内存，即便还没有真正分配物理内存，也会计算在内
  • RES 是常驻内存的大小，也就是进程实际使用的物理内存大小，但不包括 Swap 和共享内存
  • SHR 是共享内存的大小，比如与其他进程共同使用的共享内存、加载的动态链接库以及程序的代码段等
  • %MEM 是进程使用物理内存占系统总内存的百分比

注意：

  • 虚拟内存通常并不会全部分配物理内存。从上面的输出，你可以发现每个进程的虚拟内存都比常驻内存大得多
  • 共享内存 SHR 并不一定是共享的，比方说，程序的代码段、非共享的动态链接库，也都算在 SHR 里。SHR 也包括了进程间真正共享的内存。所以在计算多个进程的内存使用时，不要把所有进程的 SHR 直接相加得出结果