深入理解Linux内存管理之free命令的使用

在 linux 系统中，内存是关键的资源之一，管理和监控内存的使用情况对系统的稳定性和性能至关重要。free 命令是 linux 中用于查看内存使用情况的重要工具，它可以让我们快速了解系统中物理内存和交换分区（swap）的使用状态。

本文介绍 free 命令的输出、各个字段的含义和内存的使用率计算等。帮助更好地理解和管理 linux 系统中的内存资源。

1. free命令的基本用法

运行 free 命令，系统会输出当前内存的使用情况。常用的 free 命令选项包括：

• free：显示内存和交换分区的使用情况。
• free -h：以人类可读的格式显示（自动选择合适的单位，如 gb、mb）。
• free -m：以 mb 为单位显示内存使用情况。
• free -g：以 gb 为单位显示内存使用情况。

运行 free -h 命令后，得到如下输出：

free -h
              total        used        free      shared  buff/cache   available
mem:            31g         9.0g         12g        326m        9.8g         21g
swap:          7.9g        3.9g        4.0g

2. free命令输出字段详解

free 命令的输出通常分为两部分：物理内存（mem） 和 交换分区（swap）。它们各自包含几个关键字段，帮助我们了解系统内存的使用情况。

2.1. 物理内存（mem）

• total：物理内存总量。该字段表示系统中所有的物理内存（ram）的总大小。在上例中，系统有 31gb 的物理内存。
• used：已使用的物理内存。该字段表示已使用的物理内存，在现代 linux 系统中（kernel 2.6.28 及以后，已经不包含 buff/cache，仅仅表示真正被应用程序和系统内核占用的内存。上例中，已使用内存为 9.0gb。
• free：空闲的物理内存。当前没有被使用的物理内存。在上例中，空闲内存为 12gb。
• shared：共享内存。该字段表示用于进程间共享内存的部分，通常是 tmpfs 或类似机制分配的内存。在上例中，共享内存为 326mb。
• buff/cache：缓冲和缓存占用的内存。linux 系统会尽量利用空闲内存来缓存文件系统中的数据，以加速文件读取。这部分内存可以在需要时快速释放给应用程序使用。上例中，缓存和缓冲占用了 9.8gb。
• available：可用的内存。该字段表示系统中实际可供新进程使用的内存，包括 free 内存和可以随时回收的 buff/cache 内存。上例中，可用内存为 21gb。这个字段比 free 更能准确反映系统的内存可用性。

2.2. 交换分区（swap）

交换分区是当物理内存不足时，linux 将部分内存页交换到硬盘上的区域。交换分区虽然能够帮助系统在内存不足时继续运行，但访问速度远不如物理内存快，频繁使用交换分区可能会影响系统性能。

• total：交换分区总量。表示系统中的交换分区大小。在上例中，系统有 7.9gb 的交换分区。
• used：已使用的交换分区。显示当前被使用的交换分区大小。在上例中，3.9gb 的交换分区已经被使用。
• free：空闲的交换分区。显示剩余可用的交换分区大小。在上例中，4.0gb 的交换分区仍然可用。

3. 如何正确计算内存使用率

现代 linux 系统中，used 字段已经排除了缓存和缓冲内存，所以 (used / total) 和((total - free - buff/cache) / total) 本质上是等价的，计算结果几乎相同。

3.1. 使用used计算内存使用率

内存使用率 = (used / total) * 100

根据上面的数据：

内存使用率 = (9.0g / 31g) * 100 ≈ 29.03%

3.2. 使用free、 buff/cache计算内存使用率

内存使用率 = ((total - free - buff/cache) / total) * 100

根据上面的数据：

内存使用率 = ((31g - 12g - 9.8g) / 31g) * 100
          = (9.2g / 31g) * 100 ≈ 29.68%

free 命令的结果是四舍五入的，所以结果看起来不一致，可以使用更精确小单位去计算，这里就不展示了。

3.3. 使用 available字段

直接使用 available 字段也可以快速判断系统的内存可用性。available 包含了当前空闲内存、可以快速回收的缓存内存、部分可释放的slab内存，所以这个是参考内存还能使用多少的靠谱指标。内存使用率不是官方定义的，也不是官方标准，只能作为参考。毕竟linux的内存哲学是：空闲内存是浪费的，少不等于不可以用。

4. 交换分区的作用与使用

交换分区（swap）是物理内存的延伸，当 ram 不足时，系统会将部分不常用的内存页写入交换分区。虽然交换分区可以缓解内存不足的情况，但由于磁盘的速度远低于物理内存，频繁使用交换分区可能会导致系统变慢。

因此，当发现系统频繁使用交换分区时，可能需要考虑增加物理内存，或者优化内存密集型的应用程序。

如何查看 swap 使用情况：

free -h
              total        used        free      shared  buff/cache   available
mem:            31g         9.0g         12g        326m        9.8g         21g
swap:          7.9g        3.9g        4.0g

系统有 7.9gb 的交换分区，其中 3.9gb 已经被使用，剩下 4.0gb 可用。

5.free命令的其他选项详解及组合使用

除了 free 命令的基本用法外，它还提供了多个选项用于不同的场景。可以通过不同的参数组合来获取更精确的内存信息。以下是 free 的一些常用选项及其组合使用方法：

5.1. 常用选项

• -b：以字节（bytes）为单位显示内存信息。
• -k：以千字节（kilobytes）为单位显示内存信息。这是默认单位。
• -m：以兆字节（megabytes）为单位显示内存信息。
• -g：以千兆字节（gigabytes）为单位显示内存信息。
• -h：以人类可读（human-readable）格式显示内存信息，自动选择合适的单位（b、kb、mb、gb）。
• -t：显示内存和交换分区的 总计 信息。

使用 -t 选项时，free 会额外添加一行 total，显示物理内存和交换分区的总和。

free -h -t

输出结果：

              total        used        free      shared  buff/cache   available
mem:            31g        9.0g         12g        326m        9.9g         21g
swap:          7.9g        3.9g        4.0g
total:          39g         12g         16g

-s [秒数]：每隔指定的时间间隔（以秒为单位）重复显示内存信息，对于持续监控内存使用情况特别有用。

例：每隔 2 秒打印一次内存使用情况：

free -s 2

输出结果：

              total        used        free      shared  buff/cache   available
mem:            31g        9.0g         12g        326m        9.9g         21g
swap:          7.9g        3.9g        4.0g

              total        used        free      shared  buff/cache   available
mem:            31g        9.0g         12g        326m        9.9g         21g
swap:          7.9g        3.9g        4.0g
……

-c [次数]：与 -s 选项一起使用，用于指定重复显示的次数。

例：每隔 2 秒显示一次内存使用情况，总共显示 5 次：

free -h -s 2 -c 5

• -w：显示内存的额外列， 现代系统的默认输出已经相对完整，-w 选项的作用不明显， 默认输出已经是宽模式。
• -l： 显示低端和高端内存的详细统计信息。在 32 位系统上，它能提供有用的信息，但在 64 位系统上，它的作用可能不大，输出的低端和高端内存数值可能相同。

6.交换分区（swap）的清除与影响

6.1. 交换分区可以清除吗？

交换分区（swap）可以手动清除（即关闭交换分区）。在某些情况下，想要释放硬盘空间或调整系统性能时，可能需要临时关闭交换分区。

在 linux 中，交换分区可以通过以下命令来清除（关闭）：

sudo swapoff -a

swapoff -a：这个命令会关闭系统中所有的交换分区和交换文件。所有在交换分区中的数据会被迁移回物理内存。如果物理内存不足，可能会导致系统性能下降，甚至进程崩溃。

6.2. 清除交换分区的影响

交换分区是物理内存的延伸，当内存不足时，系统会将一些不常用的内存页写入交换分区。如果清除（关闭）交换分区，系统会尝试将这些内容重新加载回物理内存。如果物理内存足够多，通常不会有太大问题，但如果内存不足，可能会导致以下影响：

• 内存不足：如果物理内存不足，关闭交换分区后可能会导致系统内存用光，进而引发 oom（out of memory，内存溢出） 事件。linux 内核中的 oom 杀手（oom killer）会强制终止一些进程，从而释放内存空间。可能导致某些重要的应用程序被意外终止。
• 系统变慢或无响应：在内存不足时，交换分区可以缓解内存压力。如果没有交换分区，当物理内存用尽时，系统可能会变得非常缓慢，甚至无响应。
• 性能提升或下降：在某些情况下，关闭交换分区可以提升性能，当系统依赖交换分区时，因为硬盘（或 ssd）的速度远低于物理内存。如果系统频繁使用交换分区，性能会显著下降，因此关闭交换分区可以强制系统使用更快的物理内存。但只能在物理内存充足的情况下才有效。

6.3. 重启后交换分区会自动清除吗？

在大多数 linux 系统中，交换分区在重启后不会被自动清除，而是会自动重新启用。这是因为在系统启动时，/etc/fstab 文件中定义了需要挂载的交换分区或交换文件。系统启动时会根据这个文件自动启用交换分区。

可以通过以下命令查看系统中当前启用的交换分区：

sudo swapon --show

输出结果：

name      type      size used prio
/dev/dm-1 partition 7.9g 3.9g   -1

• /dev/dm-1 是一个逻辑卷管理器（lvm）设备，作为交换分区使用。
• partition 表示该交换空间位于磁盘上的一个分区，而非文件。
• 7.9g 是该交换分区的总大小。
• 3.9g 是当前已使用的交换空间，表明系统内存压力较大，部分数据被写入了交换分区。
• -1 是交换分区的优先级，表示它的默认优先级较低（可以调整）。

6.4. 如何永久禁用交换分区

如果想让系统在重启后不再启用交换分区，可以编辑 /etc/fstab 文件并注释掉（或删除）与交换分区相关的行。

打开 /etc/fstab 文件：

sudo vim /etc/fstab

找到类似于以下内容的行（具体的设备名称可能不同）：

/dev/sda2 swap swap defaults 0 0

注释掉这一行（在行前加上 #）：

# /dev/sda2 swap swap defaults 0 0

保存并退出文件。

重启系统后，交换分区将不会再自动启用。如果希望再次启用交换分区，可以取消该行的注释，或者手动运行以下命令启用：

sudo swapon -a

6.5. 如何手动清除交换分区

如果希望在系统运行的过程中手动清除交换分区，可以通过以下步骤实现：

关闭交换分区：

sudo swapoff -a

清除所有交换分区中的数据，并将其数据移回物理内存。

如果想要释放交换分区的空间（如删除交换文件），可以在关闭交换后删除对应的交换分区或交换文件。

• 若使用交换分区，可以通过 fdisk 或 gparted 删除交换分区。
• 若使用交换文件，可以删除该文件：

如果不想永久禁用交换分区，只是临时清除，可以在需要时重新启用：

sudo swapon -a

6.6. 总结

• 清除交换分区（swapoff） 是可以的，如果物理内存不足，关闭交换分区可能导致系统性能下降或进程终止。
• 重启后交换分区不会自动清除，它会根据 /etc/fstab 文件中的配置重新启用。
• 永久禁用交换分区，可以编辑 /etc/fstab 文件并注释掉与交换分区相关的行。
• 手动关闭交换分区后，系统会将交换分区中的数据移回物理内存。如果物理内存不够，可能会引发 oom 事件，导致进程被强制终止，所以生产环境要慎用。
• 物理内存充足的情况下，禁用交换分区可能会提高系统性能，因为减少了使用较慢的磁盘 i/o。交换分区提供了额外的缓冲，防止内存耗尽，所以禁用操作需要根据具体情况决定。

7. 小结

free 命令是 linux 系统中监控内存使用情况的常用工具。理解 free 命令输出中的各个字段，尤其是 used、buff/cache 和 available，对于正确评估系统内存状况至关重要。

核心要点：

• 物理内存：包括总内存、已使用内存、空闲内存、共享内存、缓存/缓冲内存，以及可用内存。
• 交换分区：当物理内存不足时，系统会将部分数据交换到硬盘上的交换分区。过度使用交换分区会影响系统性能。
• 内存使用率计算：排除缓存和缓冲的内存后，内存使用率会更准确地反映系统的实际压力。
• free的其他命令选项：free 提供了多种选项来满足不同的内存监控需求，组合使用这些选项可以帮助我们更加灵活和全面地监控系统内存。

到此这篇关于深入理解linux内存管理之free命令的使用的文章就介绍到这了,更多相关linux free命令内容请搜索代码网以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持代码网！