“快准狠”找到系统内存的问题

文章目录

“快准狠”找到系统内存的问题
前言
一、内存性能指标
二、内存性能工具
三、性能指标和工具的联系
四、如何迅速分析内存的性能瓶颈
总结

前言

有没有迅速定位内存问题的方法？当定位出内存的瓶颈后，又有哪些优化内存的思路呢？今天，我就来帮你梳理一下，怎样可以快速定位系统内存，并且总结了相关的解决思路。

一、内存性能指标

为了分析内存的性能瓶颈，首先你要知道，怎样衡量内存的性能，也就是性能指标问题。

首先，你最容易想到的是系统内存使用情况，比如已用内存、剩余内存、共享内存、可用内存、缓存和缓冲区的用量等。

已用内存和剩余内存，就是已经使用和还未使用的内存。
共享内存是通过 tmpfs 实现的，所以它的大小也就是 tmpfs使用的内存大小。tmpfs 其实也是一种特殊的缓存。
可用内存是新进程可以使用的最大内存，它包括剩余内存和可回收缓存。
缓存包括两部分，一部分是磁盘读取文件的页缓存Cache，用来缓存从磁盘读取的数据buffer，可以加快以后再次访问的速度。另一部分，则是 Slab 分配器中的可回收内存。
缓冲区是对原始磁盘块的临时存储，用来缓存将要写入磁盘的数据。这样，内核就可以把分散的写集中起来，统一优化磁盘写入。

第二类很容易想到的，应该是进程内存使用情况，比如进程的虚拟内存、常驻内存、共享内存以及 Swap 内存等。

虚拟内存，包括了进程代码段、数据段、共享内存、已经申请的堆内存和已经换出的内存等。这里要注意，已经申请的内存，即使还没有分配物理内存，也算作虚拟内存。
常驻内存是进程实际使用的物理内存，不过，它不包括 Swap 和共享内存。
共享内存，既包括与其他进程共同使用的真实的共享内存，还包括了加载的动态链接库以及程序的代码段等。
Swap 内存，是指通过 Swap 换出到磁盘的内存。

当然，这些指标中，常驻内存一般会换算成占系统总内存的百分比，也就是进程的内存使用率。除了这些很容易想到的指标外，我还想再强调一下，缺页异常。在内存分配的原理中，系统调用内存分配请求后，并不会立刻为其分配物理内存，而是在请求首次访问时，通过缺页异常来分配。

缺页异常又分为下面两种场景。

可以直接从物理内存中分配时，被称为次缺页异常。
需要磁盘 I/O 介入（比如 Swap）时，被称为主缺页异常。

显然，主缺页异常升高，就意味着需要磁盘 I/O，那么内存访问也会慢很多。

除了系统内存和进程内存，第三类重要指标就是 Swap 的使用情况，比如 Swap 的已用空间、剩余空间、换入速度和换出速度等。

已用空间和剩余空间很好理解，就是字面上的意思，已经使用和没有使用的内存空间。
换入和换出速度，则表示每秒钟换入和换出内存的大小。

这些内存的性能指标都需要我们熟记并且会用，我把它们汇总成了一个思维导图。

二、内存性能工具

了解了内存的性能指标，我们还得知道，怎么才能获得这些指标，也就是会用性能工具。

首先 free这是个最常用的内存工具，可以查看系统的整体内存和 Swap 使用情况。相对应的，你可以用 top 或 ps，查看进程的内存使用情况。

然后我们通过 proc 文件系统，找到了内存指标的来源；并通过 vmstat，动态观察了内存的变化情况。与 free 相比，vmstat 除了可以动态查看内存变化，还可以区分缓存和缓冲区、Swap 换入和换出的内存大小。

接着为了弄清楚缓存的命中情况，我们又用了 cachestat ，查看整个系统缓存的读写命中情况，并用 cachetop 来观察每个进程缓存的读写命中情况。

再接着，我们用 vmstat，发现了内存使用在不断增长，又用 memleak，确认发生了内存泄漏。通过 memleak 给出的内存分配栈，我们找到了内存泄漏的可疑位置。

最后，我们用 sar 发现了缓冲区和 Swap 升高的问题。通过 cachetop，我们找到了缓冲区升高的根源；通过对比剩余内存跟 /proc/zoneinfo 的内存阈，我们发现 Swap 升高的原因。性能工具怎么那么多呀？其实，还是那句话，理解内存的工作原理，结合性能指标来记忆，拿下工具的使用方法并不难。

三、性能指标和工具的联系

同 CPU 性能分析一样，我的经验是两个不同维度出发，整理和记忆。

从内存指标出发，更容易把工具和内存的工作原理关联起来。
从性能工具出发，可以更快地利用工具，找出我们想观察的性能指标。

特别是在工具有限的情况下，我们更得充分利用手头的每一个工具，挖掘出更多的问题。同样的，根据内存性能指标和工具的对应关系，我做了两个表格，方便你梳理关系和理解记忆。当然，你也可以当成“指标工具”和“工具指标”指南来用，在需要时直接查找。第一个表格，从内存指标出发，列举了哪些性能工具可以提供这些指标。这样，在实际排查性能问题时，你就可以清楚知道，究竟要用什么工具来辅助分析，提供你想要的指标。

第二个表格，从性能工具出发，整理了这些常见工具能提供的内存指标。掌握了这个表格，你可以最大化利用已有的工具，尽可能多地找到你要的指标。这些工具的具体使用方法并不用背，你只要知道有哪些可用的工具，以及这些工具提供的基本指标。真正用到时， man 一下查它们的使用手册就可以了。

四、如何迅速分析内存的性能瓶颈

我相信到这一步，你对内存的性能指标已经非常熟悉，也清楚每种性能指标分别能用什么工具来获取。那是不是说，每次碰到内存性能问题，你都要把上面这些工具全跑一遍，然后再把所有内存性能指标全分析一遍呢？自然不是。

简单查找法，虽然是有用的，也很可能找到某些系统潜在瓶颈。但是这种方法的低效率和大工作量，让我们首先拒绝了这种方法。还是那句话，在实际生产环境中，我们希望的是，尽可能快地定位系统瓶颈，然后尽可能快地优化性能，也就是要又快又准地解决性能问题。那有没有什么方法，可以又快又准地分析出系统的内存问题呢？方法当然有。还是那个关键词，找关联。其实，虽然内存的性能指标很多，但都是为了描述内存的原理，指标间自然不会完全孤立，一般都会有关联。

举个最简单的例子，当你看到系统的剩余内存很低时，是不是就说明，进程一定不能申请分配新内存了呢？当然不是，因为进程可以使用的内存，除了剩余内存，还包括了可回收的缓存和缓冲区。所以，为了迅速定位内存问题，我通常会先运行几个覆盖面比较大的性能工具，比如 free、top、vmstat、pidstat 等。具体的分析思路主要有这几步。

先用 free 和 top，查看系统整体的内存使用情况。
再用 vmstat 和 pidstat，查看一段时间的趋势，从而判断出内存问题的类型。
最后进行详细分析，比如内存分配分析、缓存 / 缓冲区分析、具体进程的内存使用分析等。

同时，我也把这个分析过程画成了一张流程图，你可以保存并打印出来使用。

图中列出了最常用的几个内存工具，和相关的分析流程。其中，箭头表示分析的方向，举几个例子你可能会更容易理解。

当你通过 free，发现大部分内存都被缓存占用后，可以使用 vmstat 或者 sar 观察一下缓存的变化趋势，确认缓存的使用是否还在继续增大。如果继续增大，则说明导致缓存升高的进程还在运行，那你就能用缓存 / 缓冲区分析工具（比如 cachetop、slabtop 等），分析这些缓存到底被哪里占用。

当你 free 一下，发现系统可用内存不足时，首先要确认内存是否被缓存 / 缓冲区占用。排除缓存 / 缓冲区后，你可以继续用 pidstat 或者 top，定位占用内存最多的进程。找出进程后，再通过进程内存空间工具（比如 pmap），分析进程地址空间中内存的使用情况就可以了。

当你通过 vmstat 或者 sar 发现内存在不断增长后，可以分析中是否存在内存泄漏的问题。比如你可以使用内存分配分析工具 memleak ，检查是否存在内存泄漏。如果存在内存泄漏问题，memleak 会为你输出内存泄漏的进程以及调用堆栈。

掌握使用方法和分析思路。毕竟熟练掌握它们，你就可以解决大多数的内存问题。

总结

虽然内存的性能指标和性能工具都挺多，但理解了内存管理的基本原理后，你会发现它们其实都有一定的关联。梳理出它们的关系，掌握内存分析的套路并不难。找到内存问题的来源后，下一步就是相应的优化工作了。在我看来，内存调优最重要的就是，保证应用程序的热点数据放到内存中，并尽量减少换页和交换。常见的优化思路有这么几种。

最好禁止 Swap。如果必须开启 Swap，降低 swappiness 的值，减少内存回收时 Swap 的使用倾向。
减少内存的动态分配。比如，可以使用内存池、大页（HugePage）等。
尽量使用缓存和缓冲区来访问数据。比如，可以使用堆栈明确声明内存空间，来存储需要缓存的数据；或者用 Redis这类的外部缓存组件，优化数据的访问。
使用 cgroups 等方式限制进程的内存使用情况。这样，可以确保系统内存不会被异常进程耗尽。
通过 /proc/pid/oom_adj ，调整核心应用的 oom_score。这样，可以保证即使内存紧张，核心应用也不会被 OOM
杀死。