趣话Linux Command②:Memory篇——你以为你在看内存,其实你在看错觉

本文不教你“怎么看内存占用”，而是讲清楚：

为什么 Linux 内存相关命令，从一开始就“故意让人看不懂”。

一、一个反直觉的现象

为什么 Linux 的 free 总是看起来“快没内存了”？

开篇直接用所有人都踩过的坑：

问题抛出：

• 只跑了几个服务
• free
   却只剩几百 MB
• 但系统明明跑得很流畅

结论先行：

这不是 Linux 算错了，而是你理解错了“什么叫内存被用了”。

二、历史背景

UNIX 从一开始，就没打算让“空闲内存”存在

这一节讲设计动机，不是命令。

1️. 早期 UNIX 的现实约束

• 内存极其昂贵
• 磁盘慢到令人发指
• 进程切换成本高

工程师的共识：

闲着的内存，是浪费。

2. page cache 的诞生

Linux 内存的真实目标不是：

• “给进程用多少”

而是：

• 尽可能把磁盘内容提前搬进内存

于是：

• 文件读 → page cache
• 程序启动 → page cache
• shell → page cache

这直接决定了：

• free 内存注定接近 0

第一个命令：free

它到底在“统计什么”？

这一节把 free 拆穿。

1️. free 的原始语义

• 它统计的是：
• 没被任何用途标记的 page
• 而不是：
• “还能不能用的内存”

2️.Buff/Cache 的真实含义

• Buffer：块设备元数据; free命令把buffer和cache统计在一起了，要分开了解释，比较容易绕。缓冲区（Buffer）是用于临时存储待写入的块数据到，通常容量不大（约为20MB）。通过这种方式，操作系统内核能够将分散的写入操作集中起来，统一进行优化处理。例如，将多次零散的小规模写入合并为一次大规模写入等。

Buffer vs Cache

• Cache： linux维护四种不同类型cache

    1.page cache（页缓存）,缓存文件的实际内容，以数据块形式，Linux通常以内存页形式维护（默认为4KB）；

     2. i-node cache（i节点缓存）,缓存最近访问的文件的i-node（文件的元数据meta data，如权限、大小、时间戳、数据块位置等 ）；

当用户执行 ls -l或程序需要读取文件属性时，内核会先检查i-node Cache

     3. buffer cache（缓冲区缓存），与块设备交互，缓存最近使用的磁盘元数据块；

在早期Linux内核中，Buffer Cache是一个独立组件，专门缓存磁盘扇区数据。但在现代Linux内核（2.4版本以后）中，Buffer Cache和Page Cache已经合并 。现在，Buffer Cache可以看作是Page Cache的一部分或一种实现细节：当缓存文件数据时，使用Page Cache；当需要缓存底层的磁盘块（特别是文件系统元数据）时，这部分功能由改进后的Buffer Cache机制处理，但它不再独立存在，而是整合在Page Cache的框架内。

     4. directory cache（目录缓存），缓存目录项（包含文件名和对应的inode号），其主要作用是加速文件路径的解析过程。

• 它们的共同点都是被OS管理，都可以被立即回收

但在 free 里，它们被算作“已用”。

3️. available 的出现，是一次认错

• Linux 3.14 之后引入
• 表示：  在不 swap、不 OOM （想了解OOM直接跳OOM Killer章节）的前提下，系统还能给你多少

这是一个典型的：

向历史妥协，又不敢破坏兼容性的产物

第二个命令：vmstat

为什么它不是“看内存”，而是“看行为”？

vmstat 1 

1️. vmstat 名字的误导性

• vm = virtual memory
• 但输出里：
• 内存只是很小一部分

2️. 你真正该看的字段

si / so：swap in / outbi / bo：block IOin/ cs：interrupt and context switcher

vmstat 的设计哲学：

内存问题，永远不是静态的，是时间序列问题。

这个命令很强大，且用且珍惜。

第三个命令：top

为什么 RES / VIRT 几乎永远对不上？

1️. VIRT（virtual memory）：一场“合法的欺骗”

• 包括：
• mmap
• 共享库
• 还没用到的地址空间

它回答的不是：

“你用了多少内存”

而是：

“你可能最多能用到多少”

2️. RES（Resident memory）：你以为的“真实内存”，也不完全真实

• 包含：
• page cache 映射
• 共享页的重复统计

Top命令注解

所以：

• 把 VIRT和RES 相加，一定 > 物理内存

一个专门为“补锅”而生的命令：smem

为什么它存在？

因为：

• RSS 不可信
• VIRT 更不可信
• Linux 没法完美统计“进程真实内存”

smem 的方案：

• Resident Set Size RSS（常驻内存集）:
  进程使用的共享库等内存被全额计入；

快速查看进程大致的内存占用，是 top、ps等工具的默认指标之一

• Proportional Set Size PSS（比例驻留内存集）：
  共享内存被均分给所有使用它的进程；

评估系统整体内存压力，是 Android 等系统决定终止哪个进程以释放内存的关键依据

• Unique Set Size USS（唯一驻留内存集）：
  共享内存不包含，只计算进程私有的内存；

• Linux承认PSS：  这只是一个近似值

这是 Linux 内存世界里非常罕见的“坦诚”。

知道了这么多，你还要知道：

它其实还很好玩，可以有图有真相：

smem --pie name -s uss

smem 饼状图

smem --bar name -s uss

smem 柱状图

OOM Killer

Linux 为什么宁愿杀进程，也不让系统慢慢死？

这一节是情绪记忆点。

1️. overcommit 是默认策略

• 承诺多于实际
• 赌的是：
• 大部分程序不会真用完

2️. swap 到死 vs 直接杀

Linux 的选择：

宁愿让一个进程死，也不让所有进程慢。

3️. OOM score 的“冷酷数学”

• 哪个占得多  （RSS=anon-rss+file-rss ，RSS上升最快的进程，会死得最快）
• 哪个最不重要
• 就先杀谁

一个完整的小故事：

当你敲下 free，内核到底在干嘛？

串一次完整路径：

1. free 读 /proc/meminfo
2. /proc
    是内核视角的投影
3. 数据来自：

• page allocator
• memory zone

由于历史硬件原因，系统物理内存被划分为不同的区域（如 DMA、Normal、HighMem等）。/proc/meminfo中的 MemTotal就是对这些区域容量进行统计汇总的结果

• LRU
• 你看到的是：内核“此刻的主观认知”

下一篇我会写：Process & Scheduling（进程与调度），也许“你看到的进程，都是幻象”

参考文献：

• The Linux Kernel's VFS Layer

• SRP Technology - Difference between Buffer and Cache!! ..... | Facebook

• Unleashing the Power of the Linux ‘top’ Command: A Comprehensive Guide | by Extio Technology | Medium

• Smem Tool To Display Memory Usage More Accurate in Linux - GeeksforGeeks