计算 Linux 内存使用率方法及C实现

宋天伦

发布于 2020-07-17 09:49:18

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发布于 2020-07-17 09:49:18

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通过获取Linux中的 /proc/stat 文件中的内容可以获取系统内存的详细信息：

# cat /proc/meminfo 
MemTotal:        3880404 kB
MemFree:         3182248 kB
MemAvailable:    3396580 kB
Buffers:           39588 kB
Cached:           355616 kB
SwapCached:            0 kB
Active:           318708 kB
Inactive:         252380 kB
Active(anon):     176120 kB
Inactive(anon):      248 kB
Active(file):     142588 kB
Inactive(file):   252132 kB
Unevictable:           0 kB
Mlocked:               0 kB
SwapTotal:             0 kB
SwapFree:              0 kB
Dirty:                 0 kB
Writeback:             0 kB
AnonPages:        175940 kB
Mapped:            54184 kB
Shmem:               488 kB
Slab:              62040 kB
SReclaimable:      48712 kB
SUnreclaim:        13328 kB
KernelStack:        2672 kB
PageTables:         6080 kB
NFS_Unstable:          0 kB
Bounce:                0 kB
WritebackTmp:          0 kB
CommitLimit:     1940200 kB
Committed_AS:     615340 kB
VmallocTotal:   34359738367 kB
VmallocUsed:       14160 kB
VmallocChunk:   34359715580 kB
HardwareCorrupted:     0 kB
AnonHugePages:     36864 kB
CmaTotal:              0 kB
CmaFree:               0 kB
HugePages_Total:       0
HugePages_Free:        0
HugePages_Rsvd:        0
HugePages_Surp:        0
Hugepagesize:       2048 kB
DirectMap4k:       53120 kB
DirectMap2M:     3092480 kB
DirectMap1G:     3145728 kB

各字段含义见下表：

指标	作用
MemTotal	总内存大小
MemFree	空闲内存大小
buffers/cached	磁盘缓存的大小
MemAvailable	可用内存大小
SwapTotal	可用的swap空间的总的大小。
SwapFree	剩余swap空间的大小。
Dirty	需要写入磁盘的内存区大小。
Writeback	正在被写回磁盘的大小。
AnonPages	未映射页的内存大小。
Mapped	设备和文件等映射的大小。
Slab	内核数据结构slab的大小，可以减少申请和释放内存带来的消耗。

注Buffers 和 Cached的区别 Buffers 是指用来给块设备做的缓冲大小，他只记录文件系统的metadata以及 tracking in-flight pages. cached 是用来给文件做缓冲。 buffers 是值存储目录里面有什么内容，权限等等。而cached直接用来记忆我们打开的文件，比如先后执行两次命令#man X ,你就可以明显的感觉到第二次的开打的速度快很多。而buffers随时都在增加，比如先后两次使用ls /dev后，就会发现第二次执行的速度会较第一次快。这就是buffers/chached的区别。

以内核态来讲， buffers 和 cached 是已经被使用的，可用内存就是 MemAvailable

MemUsed  = MemTotal - MemFree

以用户态来讲，buffers 和 cached 可被分配。

free = MemFree + Buffers + Cahched

本着监控应用对物理内存使用情况的目的采集，计算方法：

MemUsedPrec = 100*(MemTotal - MemFree - Buffers - Cahched)/MemTotal

黑洞

经过一番计算，发现 /proc/meminfo 中的数据无论如何无法与 free 中的内容对应，尤其是在 used 部分。经过一番信息检索，得出一个结论， free 命令中的数值是按照 /proc/meminfo 中的数据，根据一定算法计算所得，并且新版旧版的 free 所输出内容也不一致。因此按照 proc/meminfo 中的数据计算内存使用率是更加精确的。

进一步探索，会发现 Linux 存在一个内存黑洞，在某博主博客找到如下描述：

追踪Linux系统的内存使用一直是个难题，很多人试着把能想到的各种内存消耗都加在一起，kernel text、kernel modules、buffer、cache、slab、page table、process RSS…等等，却总是与物理内存的大小对不上，这是为什么呢？因为Linux kernel并没有滴水不漏地统计所有的内存分配，kernel动态分配的内存中就有一部分没有计入/proc/meminfo中。 —— 《/PROC/MEMINFO之谜》

综上原因，计算Linux内存使用率也就没有必要去细扣每个数值的含义了，大致了解如下内容即可：

MemTotal：总内存大小
MemFree：空闲内存大小
buffers/cached：磁盘缓存的大小
MemAvailable：可用内存大小

而计算内存使用率只需按照这个方法计算：

实际可挪用的内存数: free+cache+buffer,
实际可使用的内存数: used-cache-buffer (total-free-cache-buffer)。
内存占用率：(total-available) / total * 100

C实现

同样的，先定义一个结构体用于存放相关数据：

struct MEM_INFO
{
    unsigned int total;
    unsigned int free;
    unsigned int buffers;
    unsigned int cached;
    unsigned int swap_cached;
    unsigned int swap_total;
    unsigned int swap_free;
    unsigned int available;
};
typedef struct MEM_INFO Mem_info;

之后定义函数，用于获取及计算内存数据：

void  get_mem_occupy (Mem_info *o)
{
    FILE* fpMemInfo = fopen("/proc/meminfo", "r");
    if (NULL == fpMemInfo)
    {
        return ;
    }
    int i = 0;
    int value;
    char name[1024];
    char line[1024];
    int nFiledNumber = 2;
    int nMemberNumber = 5;
    while (fgets(line, sizeof(line) - 1, fpMemInfo))
    {
        if (sscanf(line, "%s%u", name, &value) != nFiledNumber)
        {
            continue;
        }
        if (0 == strcmp(name, "MemTotal:"))
        {
            ++i;
            o->total = value;
        }
        else if (0 == strcmp(name, "MemFree:"))
        {
            ++i;
            o->free = value;
        }
        else if (0 == strcmp(name, "MemAvailable:"))
        {
            ++i;
            o->available = value;
        }
        else if (0 == strcmp(name, "Buffers:"))
        {
            ++i;
            o->buffers = value;
        }
        else if (0 == strcmp(name, "Cached:"))
        {
            ++i;
            o->cached = value;
        }
        if (i == nMemberNumber)
        {
            break;
        }
    }
    // system("free");
    // system("cat /proc/meminfo");
    // printf("MemTotal      : %d\n",o->total);
    // printf("MemFree       : %d\n",o->free);
    // printf("MemAvailable  : %d\n",o->available);
    // printf("MemBuffers    : %d\n",o->buffers);
    // printf("MemCached     : %d\n",o->cached);
    // printf("MemSwapCached : %d\n",o->swap_cached);
    // printf("MemSwapTotal  : %d\n",o->swap_total);
    // printf("MemSwapFree   : %d\n",o->swap_free);
    fclose(fpMemInfo);
}

float cal_mem_occupy(Mem_info *o)
{
    return (100.0 * (o->total - o->available) / o->total);
}

最后调用即可：

    Mem_info omem;
    while(1)
    {
        // printf("-------------------- Mem occupy -------------------\n");
        get_mem_occupy(&omem);
        printf("Mem Usage(%): %8.4f\n", cal_mem_occupy(&omem));
        printf("\n");
    }