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21 | 套路篇：如何“快准狠”找到系统内存的问题？

21 | 套路篇：如何“快准狠”找到系统内存的问题？-极客时间

21 | 套路篇：如何“快准狠”找到系统内存的问题？

2019-01-07 倪朋飞 来自北京
《Linux性能优化实战》
课程介绍

讲述：冯永吉

时长12:50大小11.72M

你好，我是倪朋飞。
前几节，通过几个案例，我们分析了各种常见的内存性能问题。我相信通过它们，你对内存的性能分析已经有了基本的思路，也熟悉了很多分析内存性能的工具。你肯定会想，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。

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。我们先来回顾一下，前几节学过的内存性能指标。
你可以自己先找张纸，凭着记忆写一写；或者打开前面的文章，自己总结一下。
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很容易理解，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，用来缓存从磁盘读取的数据，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，我曾经讲到过，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，你可以保存打印出来，或者自己仿照着总结一份。

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。这里，我们也用同样的方法，回顾一下前面案例中已经用到的各种内存性能工具。 还是鼓励你先自己回忆和总结一下。
首先，你应该注意到了，所有的案例中都用到了 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，在缓存和缓冲区的原理篇中，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，在缓存和缓冲区的案例篇中，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，在内存泄漏的案例中，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，在 Swap 的案例中，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 升高是内存回收导致的。案例最后，我们还通过 /proc 文件系统，找出了 Swap 所影响的进程。
到这里，你是不是再次感觉到了来自性能世界的“恶意”。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。

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。

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。前面的 CPU 性能篇我们就说过，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。当然，反过来说，这些关联也正是源于系统的内存原理，这也是我总强调基础原理的重要性，并在文章中穿插讲解。
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。
第一个例子，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。
第二个例子，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。
第三个例子，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。
注意，这个图里我没有列出所有性能工具，只给出了最核心的几个。这么做，一方面，确实不想让大量的工具列表吓到你。
另一方面，希望你能把重心先放在核心工具上，通过我提供的案例和真实环境的实践，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。

小结

在今天的文章中，我带你回顾了常见的内存性能指标，梳理了常见的内存性能分析工具，最后还总结了快速分析内存问题的思路。
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。

思考

由于篇幅限制，我在这里只列举了一些我认为的重要内存指标和分析思路。我想，你肯定也碰到过很多内存相关的性能问题。所以，我想请你来聊一聊，你处理过的内存性能问题，你是怎样分析它的瓶颈并解决的呢？这个过程中，遇到了什么坑，或者有什么重要收获吗？
欢迎在留言区跟我讨论，也欢迎把这篇文章分享给你的同事、朋友。我们一起在实战中演练，在交流中进步。
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 写留言

精选留言(51)

  • allan
    2019-01-14
    老师，您在文中说到： 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。 但是在下一篇答疑的文章中提到：RSS 表示常驻内存，把进程用到的共享内存也算了进去。 这是不是矛盾了，是不是这一篇中说到的有问题呢？
    展开

    作者回复: 很细心呀，这里概念上和工具给出的指标有些出入，实际使用时要注意工具给出的指标的含义

    25
  • 减肥的老郭
    2019-01-07
    老师好，文中提到的bcc相关的工具都需要版本较高的内核，但是真实生产都无法满足这个要求，有别的替代工具么？

    作者回复: 有的，比如内存泄漏使用valgrind、动态跟踪使用systemtap等。这些工具相对来说更难用一些

    18
  • 大坏狐狸
    2019-01-25
    哈哈 学着后面忘着前面 哎
    16
  • 无名老卒
    2019-01-07
    老师能不能举一些实际的例子，我是有遇到过线上内存泄露的案例，每次出现这个问题时，基本上是无解，因为基本上都是直接宕机了。这个可有监控方法？ 其他的内存使用上的问题，如缺页、缓存数据用得过多等异常，基本上没有遇到过，这类问题，老师遇到的次数多吗？

    作者回复: 可以把系统和进程的内存指标监控起来，这样根据历史趋势就可以知道是哪些进程内存泄漏了。 其他的这些也有，但比较少。实际进程基本上都有一个内存管理模块，统一管理内存。有问题也是这个模块刚开始写的时候比较多，后面就会逐渐稳定起来。

    6
  • 深蓝
    2019-07-16
    我现实中遇到一个奇怪的场景 free -m 查看 used 很高 free buff/cache 都很低 top命令看不到内存占用高的内存，目前系统中可用的工具只有pmap top ps slabtop 请问老师有什么思路来排查这个问题

    作者回复: top有没有按照内存排序？

    共 3 条评论
    4
  • 风飘，吾独思
    2019-01-09
    打卡
    4
  • 公共账号
    2021-06-07
    上面的套路只适合一些简单场景，如果是简单场景通过二分法注释或者动态检查工具也能很快解决；但是遇到复杂场景，比如程序运行了1个月才泄露500M，或者程序内存申请非常频繁，短时间内记录会非常大，排除也是很费时间的。https://www.91dengdeng.cn/2019/05/07/windbg%E5%88%86%E6%9E%90%E5%86%85%E5%AD%98%E6%B3%84%E6%BC%8F/ 讲解了一些其他方法
    展开
    3
  • DJH
    2019-01-07
    倪老师，我们有一个空闲的docker节点（CentOS 7.4，只有k8s node组件，ceph组件和2个空跑的测试pod），平常只有几十的磁盘iops，每隔若干天后系统磁盘的iops就会持续超过3000，并且降不下来。经过iostat检查发现磁盘读写来自于swap卷，奇怪的是系统空闲内存很多，swap使用率也只有一点点（不到1%），主机上也没什么业务。现在每次碰到这个问题只能重启一下解决。请问这种问题有啥解决思路吗？

    作者回复: 可能跟NUMA配置有关，可以查下是不是允许跨NODE

    3
  • shuifa
    2019-01-07
    打卡，学习是一种习惯
    2
  • Geek_e2b0f9
    2022-09-28 来自北京
    Top Res不断升高
    1
  • NARUTO
    2021-08-26
    老师，在使用perf record -g pid命令后，怎么知道输出的结果中，调用频繁的指令是什么意思呢？或者从哪里可以查到呢？比如我看到结果中占比前三的有start_thread java_start Java_java_util_zip_Deflater_deflateBytes
    1
  • Geek_f702be
    2020-11-04
    打卡 free top vmstat从大到小进行定位分析是缓存、swap、还是内存泄漏问题
    1
  • 沙漠风暴
    2019-07-28
    老师好，我们公司生产服务器上面内存使用率总是99%，我用top命令查了，是tomcat站点的java进程的VIRT是15G，RES是5G，机器总物理内存15G，这个VIRT是不是太高了，是什么原因导致的呢，会影响机器和tomcat的性能吗？谢谢指教！

    作者回复: VIRT高没事的，内存使用率高是不是还有其他的进程？或者多进程？

    1
  • 平安喜乐
    2019-03-13
    例如：mysql 内存占用较高 怎么分析 MySQL 进程具体内存耗用呢？谢谢！

    作者回复: 这在官方文档上就有的 https://dev.mysql.com/doc/refman/8.0/en/memory-use.html

    共 2 条评论
    1
  • 让熊猫飞上天
    2019-02-26
    你好，老师，问一下工具valgrind使用时在分析内存泄露时，这个工具不能直接使用pid来定位，只能跟程序文件吗？ 感觉没有memleak这个好用

    作者回复: 是的，但是 memleak 内核版本要比较新，valgrind 在很旧的内核上也可以用

    1
  • 划时代
    2019-01-08
    打卡总结
    1
  • ninuxer
    2019-01-07
    打卡day22 总结篇，紧跟大佬脚步～
    1
  • 龙龙
    2022-11-27 来自上海
    内存泄漏为啥没有asan
  • iq2psy
    2022-10-26 来自北京
    老师，遇到一个问题： 系统是 CentOS7，内存64G快占用满了，但是用 htop 却看不出来内存占用特别多的进程。 这是个测试节点，节点上的进程也不多，两个tomcat、一个 Redis、docker 跑了两个容器，就这几个占用比较多，但从htop上看远没有 60G 这么大。 从系统日志也没看到特殊的异常，这种情况可能是什么占用了几十 G 内存，要怎么下手去分析？
    展开
  • Geek_f93234
    2022-10-09 来自北京
    day21打卡