深入理解 Linux 内存管理:free 命令详解

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:

bash 复制代码
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)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。
    该值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。
    该值表示目前被操作系统和应用程序使用的内存,包括程序本身占用的内存以及用于缓存和缓冲的数据。上例中,已使用内存为 9.0GB。
  • free :空闲的物理内存。
    这是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。
    该值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?

在 Linux 中,内存的使用率并不是简单地用 used / total 来计算。因为 Linux 会尽可能利用空闲内存用于缓存和缓冲,这部分内存虽然被标记为"已使用",但在需要时可以快速释放。因此,计算内存使用率时,应该排除缓存和缓冲区的内存

3.1. 不考虑缓存和缓冲的内存使用率

最简单的内存使用率计算方式是直接使用 `used` 字段:

bash 复制代码
内存使用率 = (used / total) * 100

根据上面的数据:

bash 复制代码
内存使用率 = (9.0G / 31G) * 100 ≈ 29.03%

这种方式虽然简单,但不够准确,它将缓存和缓冲的内存也算作已使用内存,可能会高估实际的内存使用情况。

3.2. 考虑缓存和缓冲的内存使用率(更准确)

为了更准确地反映系统的内存使用情况应排除掉 buff/cache 部分的内存。改进后的计算公式为:

bash 复制代码
内存使用率 = ((total - free - buff/cache) / total) * 100

根据上面的数据:

bash 复制代码
内存使用率 = ((31G - 12G - 9.8G) / 31G) * 100
          = (9.2G / 31G) * 100 ≈ 29.68%

这种计算方式排除了缓存和缓冲区的内存,更能反映系统的实际内存使用情况。

3.3. 使用 `available` 字段

直接使用 available 字段也可以帮助我们快速判断系统的内存可用性。available 包含了当前空闲内存和可以快速回收的缓存内存,因此它比 free 字段更准确。


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:

bash 复制代码
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。

bash 复制代码
free -h -t

输出结果:

bash 复制代码
              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:

bash 复制代码
free -s 2

输出结果:

bash 复制代码
              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:

bash 复制代码
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):

bash 复制代码
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:

bash 复制代码
sudo swapon --show

输出结果:

bash 复制代码
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。

  1. 打开 /etc/fstab 文件:
bash 复制代码
sudo vim /etc/fstab
  1. 找到类似于以下内容的行(具体的设备名称可能不同):
bash 复制代码
/dev/sda2 swap swap defaults 0 0
  1. 注释掉这一行(在行前加上 #):
bash 复制代码
# /dev/sda2 swap swap defaults 0 0
  1. 保存并退出文件。
  2. 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:
bash 复制代码
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:

  1. 关闭交换分区:
bash 复制代码
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。

  1. 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 fdiskgparted 删除交换分区。
    • 若使用交换文件,可以删除该文件:
  2. 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:
bash 复制代码
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。
  • 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,因为这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,因此禁用它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 usedbuff/cacheavailable,对于正确评估系统内存状况至关重要。

核心要点:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。

希望这篇文章能帮助到你,如果有其他问题或建议,欢迎留言讨论!

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