为什么手工drop_caches之后cache值并未减少?

在Linux系统上查看内存使用状况最常用的命令是"free",其中buffers和cache通常被认为是可以回收的:

$ free total used free shared buffers cached Mem: 32764716 1067548 31697168 158332 12 593096 -/+ buffers/cache: 474440 32290276 Swap: 2103292 0 2103292

当内存紧张的时候,有一个常用的手段就是使用下面的命令来手工回收cache:

$ echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches

注:drop_caches接受以下三种值:

  • To free pagecache: echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches
  • To free reclaimable slab objects (includes dentries and inodes): echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches
  • To free slab objects and pagecache: echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches

当我们考虑有多少cache可供回收的时候,首先要知道的是:不同版本的"free"命令计算cache值的算法不同,据不完全统计举例如下:

  1. 版本:procps-3.2.8-36 cache值等于/proc/meminfo中的"Cached";
  2. 版本:procps-3.3.9-10.1 cache值等于/proc/meminfo的 [Cached + SReclaimable];
  3. 版本:procps-ng-3.3.10-3 cache值等于/proc/meminfo的 [Cached + Slab]。

注:

/proc/meminfo中的"Cached"表示page cache所占用的内存大小;

"Slab"表示内核Slab所占用的内存大小,slab有的可回收有的不可回收,其中可回收的通过"SReclaimable"表示,不可回收的通过"SUnreclaim"表示。

所以,对上述第2、3版本的"free"命令,"echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches"对其中的SReclaimable或Slab部分是不起作用的。

即便仅考虑page cache (对应于 /proc/meminfo 的"Cached"),也并不是所有的页面都可以回收的:

首先,drop_caches只回收clean pages,不回收dirty pages,参见https://www.kernel.org/doc/Documentation/sysctl/vm.txt

所以如果想回收更多的cache,应该在drop_caches之前先执行"sync"命令,把dirty pages变成clean pages。

其次,即使提前执行了sync命令,drop_cache操作也不可能把cache值降到0,甚至有时候cache值几乎没有下降,这是为什么呢?因为page cache中包含的tmpfs和共享内存是不能通过drop_caches回收的。

Page cache用于缓存文件里的数据,不仅包括普通的磁盘文件,还包括了tmpfs文件,tmpfs文件系统是将一部分内存空间模拟成文件系统,由于背后并没有对应着磁盘,无法进行paging(换页),只能进行swapping(交换),在执行drop_cache操作的时候tmpfs对应的page cache并不会回收。

我们通过实验来观察tmpfs文件对free命令的影响:

挂载一个3G大小的tmpfs:

$ mount -t tmpfs -o size=3G none /mytmpfs/

此时free命令看到的内存使用状况:

$ free total used free shared buffers cached Mem: 65942736 2343336 63599400 9492 8952 92848 -/+ buffers/cache: 2241536 63701200 Swap: 33038332 0 33038332 在tmpfs上新建一个2G大小的文件,free命令看到"cached"增加了2GB,注意"shared"也增加了2GB: $ dd if=/dev/zero of=/mytmpfs/testfile bs=1G count=2 2+0 records in 2+0 records out 2147483648 bytes (2.1 GB) copied, 2.42736 s, 885 MB/s $ free total used free shared buffers cached Mem: 65942736 4423404 61519332 2106644 9088 2190064 -/+ buffers/cache: 2224252 63718484 Swap: 33038332 0 33038332 执行drop_caches,再观察free命令的"cached"值,发现刚才增加的2GB并未被回收: $ sync $ sudo sh -c 'echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches' $ free total used free shared buffers cached Mem: 65942736 4430388 61512348 2106644 5284 2183096 -/+ buffers/cache: 2242008 63700728 Swap: 33038332 0 33038332 最后删除tmpfs上的文件,free命令看到"Cached"和"Shared"同时减少2GB: $ rm /mytmpfs/testfile $ free total used free shared buffers cached Mem: 65942736 2324096 63618640 9784 6228 87412 -/+ buffers/cache: 2230456 63712280 Swap: 33038332 0 33038332

结论:

tmpfs占用的page cache是不能通过drop_caches操作回收的,tmpfs占用的page cache同时也算进了"shared"中,也就是说,被视为共享内存。

Linux kernel利用tmpfs实现共享内存(shared memory),参见:

https://www.kernel.org/doc/Documentation/filesystems/tmpfs.txt

所以共享内存也和tmpfs一样,属于page cache,但又不能被drop_caches回收。这里所说的共享内存包括:

  • SysV shared memory 是通过shmget申请的共享内存,用"ipcs -m"或"cat /proc/sysvipc/shm"查看;
  • POSIX shared memory 是通过shm_open申请的共享内存,用"ls /dev/shm"查看;
  • shared anonymous mmap 通过mmap(…MAP_ANONYMOUS|MAP_SHARED…)申请的内存,可以用"pmap -x"或者"cat /proc/<PID>/maps"查看; 注:mmap调用参数如果不是MAP_ANONYMOUS|MAP_SHARED,则不属于tmpfs,比如MAP_ANONYMOUS|MAP_PRIVATE根本不属于page cache而是属于AnonPages,MAP_SHARED属于普通文件,对应的page cache可以回写硬盘并回收。

我们通过一个实验来观察共享内存对free命令的影响。以下程序通过shared anonymous mmap方式申请256MB大小的内存:

#include <sys/mman.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #define MAP_SIZE 268435456 int main() { char *addr; ssize_t s; addr = mmap(NULL, MAP_SIZE, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_ANONYMOUS|MAP_SHARED, -1, 0); if (addr == MAP_FAILED) { fprintf(stderr, "mmap failed\n"); exit(EXIT_FAILURE); } memset(addr, 9, MAP_SIZE); printf("mmap done, memset done, check free output. Press any key to exit...\n"); getchar(); exit(EXIT_SUCCESS); }

实验过程如下:

先回收cache,设置初始状态: $ sync; sudo sh -c 'echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches'; free total used free shared buffers cached Mem: 65942736 2401684 63541052 9576 3648 54820 -/+ buffers/cache: 2343216 63599520 Swap: 33038332 0 33038332 然后执行我们的测试程序,申请256MB共享内存: $ ./mmap_test mmap done, memset done, check free output. Press any key to exit... 在另一个窗口里观察,看到cache值增加了256MB,注意"shared"也同时增加了256MB: $ free total used free shared buffers cached Mem: 65942736 2652796 63289940 271720 6380 321760 -/+ buffers/cache: 2324656 63618080 Swap: 33038332 0 33038332 执行drop_caches,发现刚才新增的256MBcache值并未被回收: $ sync; sudo sh -c 'echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches'; free total used free shared buffers cached Mem: 65942736 2666452 63276284 271720 3628 316532 -/+ buffers/cache: 2346292 63596444 Swap: 33038332 0 33038332 退出mmap_test程序,再看cache值就减少了256MB,注意"shared"也同时减少256MB: $ free total used free shared buffers cached Mem: 65942736 2400268 63542468 9576 4796 59148 -/+ buffers/cache: 2336324 63606412 Swap: 33038332 0 33038332

结论:cache值包含了共享内存的大小,然而drop_caches是不能回收它的。

总结:为什么drop_caches操作不能回收所有的page cache?

  • dirty pages不能回收;
  • 共享内存和tmpfs不能回收(注意观察free命令显示的shared值);
  • 不同版本的free命令有不同的计算cache值的方法,有的包含了slab或SReclaimable,"echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches"是不能回收slab的,"echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches"也只是回收slab中的SReclaimable部分。

原文发布于微信公众号 - 人人都是极客(rrgeek)

原文发表时间:2019-04-18

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