free命令

解释一下Linux上free命令的输出。

　　下面是free的运行结果，一共有4行。为了方便说明，我加上了列号。这样可以把free的输出看成一个二维数组FO(Free Output)。例如：

• FO[2][1] = 24677460
• FO[3][2] = 10321516  

                   1          2          3          4          5          6
1              total       used       free     shared    buffers     cached
2 Mem:      24677460   23276064    1401396          0     870540   12084008
3 -/+ buffers/cache:   10321516   14355944
4 Swap:     25151484     224188   24927296

　　free的输出一共有四行，第四行为交换区的信息，分别是交换的总量（total），使用量（used）和有多少空闲的交换区（free），这个比较清楚，不说太多。

　　free输出地第二行和第三行是比较让人迷惑的。这两行都是说明内存使用情况的。第一列是总量（total），第二列是使用量（used），第三列是可用量（free）。

　　第一行的输出时从操作系统（OS）来看的。也就是说，从OS的角度来看，计算机上一共有:

• 24677460KB（缺省时free的单位为KB）物理内存，即FO[2][1]；
• 在这些物理内存中有23276064KB（即FO[2][2]）被使用了；
• 还用1401396KB（即FO[2][3]）是可用的；

这里得到第一个等式：

• FO[2][1] = FO[2][2] + FO[2][3]

FO[2][4]表示被几个进程共享的内存的，现在已经deprecated，其值总是0（当然在一些系统上也可能不是0，主要取决于free命令是怎么实现的）。

FO[2][5]表示被OS buffer住的内存。FO[2][6]表示被OS cache的内存。在有些时候buffer和cache这两个词经常混用。不过在一些比较低层的软件里是要区分这两个词的，看老外的洋文:

• A buffer is something that has yet to be "written" to disk. 
  
• A cache is something that has been "read" from the disk and stored for later use.

也就是说buffer是用于存放要输出到disk（块设备）的数据的，而cache是存放从disk上读出的数据。这二者是为了提高IO性能的，并由OS管理。

Linux和其他成熟的操作系统（例如windows），为了提高IO read的性能，总是要多cache一些数据，这也就是为什么FO[2][6]（cached memory）比较大，而FO[2][3]比较小的原因。我们可以做一个简单的测试:

1. 释放掉被系统cache占用的数据；
   echo 3>/proc/sys/vm/drop_caches

    

2. 读一个大文件，并记录时间；
3. 关闭该文件；
4. 重读这个大文件，并记录时间；

第二次读应该比第一次快很多。原来我做过一个BerkeleyDB的读操作，大概要读5G的文件，几千万条记录。在我的环境上，第二次读比第一次大概可以快9倍左右。

　　free输出的第二行是从一个应用程序的角度看系统内存的使用情况。

• 对于FO[3][2]，即-buffers/cache，表示一个应用程序认为系统被用掉多少内存；
• 对于FO[3][3]，即+buffers/cache，表示一个应用程序认为系统还有多少内存；

因为被系统cache和buffer占用的内存可以被快速回收，所以通常FO[3][3]比FO[2][3]会大很多。

这里还用两个等式：

• FO[3][2] = FO[2][2] - FO[2][5] - FO[2][6]
• FO[3][3] = FO[2][3] + FO[2][5] + FO[2][6]

这二者都不难理解。

　　free命令由procps.*.rpm提供（在Redhat系列的OS上）。free命令的所有输出值都是从/proc/meminfo中读出的。

在系统上可能有meminfo(2)这个函数，它就是为了解析/proc/meminfo的。procps这个包自己实现了meminfo()这个函数。可以下载一个procps的tar包看看具体实现，现在最新版式3.2.8。
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buffer:
缓冲区，一个用于存储速度不同步的设备或优先级不同的设备之间传输数据的区域。通过缓冲区，可以使进程之间的相互等待变少，从而使从速度慢的设备读入数据 时，速度快的设备的操作进程不发生间断。

cache:
高速缓存，是位于CPU与主内存间的一种容量较小但速度很高的存储器。由于CPU的速度远高于主内存，CPU直接从内存中存取数据要等待一定时间周期， Cache中保存着CPU刚用过或循环使用的一部分数据，当CPU再次使用该部分数据时可从Cache中直接调用，这样就减少了CPU的等待时间，提高了系统的效率。Cache又分为一级Cache（L1 Cache）和二级Cache（L2 Cache），L1 Cache集成在CPU内部，L2 Cache早期一般是焊在主板上，现在也都集成在CPU内部，常见的容量有256KB或512KB L2 Cache.

当你读写文件的时候，Linux内核为了提高读写性能与速度，会将文件在内存中进行缓存，这部分内存就是Cache Memory（缓存内存）。即使你的程序运行结束后，Cache Memory也不会自动释放。这就会导致你在Linux系统中程序频繁读写文件后，你会发现可用物理内存会很少。

其实这缓存内存（Cache Memory）在你需要使用内存的时候会自动释放，所以你不必担心没有内存可用。如果你希望手动去释放Cache Memory也是有办法的。

如何释放Cache Memory（缓存内存）， 用下面的命令可以释放Cache Memory:

To free pagecache

$sync; echo 1>/proc/sys/vm/drop_caches
To free dentries and inodes:
$sync; echo 2>/proc/sys/vm/drop_caches
To free pagecache, dentries and inodes:
$sync; echo 3>/proc/sys/vm/drop_caches

注意，释放前最好sync一下，防止丢失数据。

free命令中的buffer和cache:（它们都是占用内存）：
buffer : 作为buffer cache的内存，是块设备的读写缓冲区
cache: 作为page cache的内存， 文件系统的cache