如何通過閱讀原始碼了解 vmstat 中的指標

2020-06-16 17:46:43

vmstat -a 命令能看到 active memory 和 inactive memory，但是它們是什麼意思呢？

$ vmstat-a
procs -----------memory-------------swap-------io-----system--------cpu-----
r b swpd free inact active si so bi bo in cs us sy id wa st
1013809631956013724081757848002323109900

它們的含義在 manpage 中只給了簡單的說明，並未詳細解釋：

inact: the amount of inactive memory. (-a option)
active: the amount of active memory. (-a option)

在此我們試圖準確理解它的含義。通過閱讀 vmstat 的原始碼 (vmstat.c 和 proc/sysinfo.c)得知，vmstat 命令是直接從 /proc/meminfo 中獲取的資料：

$ grep-i act /proc/meminfo
Active:1767928 kB
Inactive:1373760 kB

而/proc/meminfo 的資料是在以下核心函數中生成的：

fs/proc/meminfo.c:
==================
0023staticint meminfo_proc_show(struct seq_file *m,void*v)
0024{
...
0032unsignedlong pages[NR_LRU_LISTS];
...
0051for(lru = LRU_BASE; lru < NR_LRU_LISTS; lru++)
0052 pages[lru]= global_page_state(NR_LRU_BASE + lru);
...
0095"Active: %8lu kBn"
0096"Inactive: %8lu kBn"
0097"Active(anon): %8lu kBn"
0098"Inactive(anon): %8lu kBn"
0099"Active(file): %8lu kBn"
0100"Inactive(file): %8lu kBn"
...
0148 K(pages[LRU_ACTIVE_ANON]+ pages[LRU_ACTIVE_FILE]),
0149 K(pages[LRU_INACTIVE_ANON]+ pages[LRU_INACTIVE_FILE]),
0150 K(pages[LRU_ACTIVE_ANON]),
0151 K(pages[LRU_INACTIVE_ANON]),
0152 K(pages[LRU_ACTIVE_FILE]),
0153 K(pages[LRU_INACTIVE_FILE]),

這段程式碼的意思是統計所有的 LRU list，其中 Active Memory 等於 ACTIVE_ANON 與 ACTIVE_FILE 之和，Inactive Memory 等於 INACTIVE_ANON 與 INACTIVE_FILE 之和。

LRU list 是 Linux 核心的記憶體頁面回收演算法（Page Frame Reclaiming Algorithm）所使用的資料結構，LRU 是 Least Recently Used 的縮寫詞。這個演算法的核心思想是：回收的頁面應該是最近使用得最少的。

為了實現這個目標，最理想的情況是每個頁面都有一個年齡項，用於記錄最近一次存取頁面的時間，可惜 x86 CPU 硬體並不支援這個特性，x86 CPU 只能做到在存取頁面時設定一個標誌位 Access Bit，無法記錄時間。

所以 Linux 核心使用了一個折衷的方法：它採用了 LRU list 列表，把剛存取過的頁面放在列首，越接近列尾的就是越長時間未存取過的頁面，這樣，雖然不能記錄存取時間，但利用頁面在 LRU list 中的相對位置也可以輕鬆找到年齡最長的頁面。

Linux 核心設計了兩種 LRU list: active list 和 inactive list, 剛存取過的頁面放進 active list，長時間未存取過的頁面放進 inactive list，這樣從 inactive list 回收頁面就變得簡單了。核心執行緒 kswapd 會周期性地把 active list 中符合條件的頁面移到 inactive list 中，這項轉移工作是由 refill_inactive_zone() 完成的。這段程式碼的意思是統計所有的 LRU list，其中Active Memory 等於 ACTIVE_ANON 與 ACTIVE_FILE 之和，Inactive Memory 等於 INACTIVE_ANON 與 INACTIVE_FILE 之和。

LRU list 示意圖

LRU_list

vmstat 看到的 active/inactive memory 就分別是 active list 和 inactive list 中的記憶體大小。如果 inactive list 很大，表明在必要時可以回收的頁面很多；而如果 inactive list 很小，說明可以回收的頁面不多。

Active/inactive memory 是針對使用者進程所佔用的記憶體而言的，核心佔用的記憶體（包括 slab）不在其中。

至於在原始碼中看到的 ACTIVE_ANON 和 ACTIVE_FILE，分別表示 anonymous pages 和 mapped pages。使用者進程的記憶體頁分為兩種：與檔案關聯的記憶體（比如程式檔案、資料檔案所對應的記憶體頁）和與檔案無關的記憶體（比如進程的堆疊，用 malloc 申請的記憶體），前者稱為 file pages 或 mapped pages，後者稱為 anonymous pages。file pages 在發生換頁(page-in 或 page-out)時，是從它對應的檔案讀入或寫出；anonymous pages 在發生換頁時，是對交換區進行讀/寫操作。

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