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。

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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 -htotal        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:            31G         9.0G         12G        326M        9.8G         21G
Swap:          7.9G        3.9G        4.0G

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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。

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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：

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%

  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：

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%

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。

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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 -htotal        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。

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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        4.0Gtotal        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。

1. 打开 /etc/fstab 文件：

sudo vim /etc/fstab

2. 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

3. 注释掉这一行（在行前加上 #）：

# /dev/sda2 swap swap defaults 0 0

4. 保存并退出文件。
5. 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：

1. 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。

2. 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：
3. 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

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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。

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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：

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。

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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！