리눅스에서 무료란 무엇인가?

Linux에서 free는 메모리 사용량 상태를 확인하는 내장 명령입니다. 시스템 물리적 메모리, 가상 메모리(스왑 파티션), 공유 메모리 및 시스템 캐시의 사용량을 표시할 수 있습니다. "; free 명령 출력은 top 명령의 메모리 부분과 매우 유사합니다.

이 튜토리얼의 운영 환경: linux7.3 시스템, Dell G3 컴퓨터.

Linux free 명령: 메모리 사용량 상태 보기

free 명령은 시스템 물리적 메모리, 가상 메모리(스왑 스왑 파티션), 공유 메모리 및 시스템 캐시 사용량을 포함한 시스템 메모리 상태를 표시하는 데 사용되며 출력은 다음과 같습니다. top 명령 메모리 부분은 매우 유사합니다.

free 명령의 기본 형식은 다음과 같습니다.

# free [选项]

표 1에는 이 명령에 일반적으로 사용되는 옵션과 해당 의미가 나열되어 있습니다.

표 1 자유 명령의 공통 옵션 및 의미

옵션	의미
-b	메모리 사용량을 바이트(byte) 단위로 표시합니다.
-k	메모리 사용량을 KB 단위로 표시합니다. 이 옵션은 free 명령의 기본 옵션입니다.
-m	메모리 사용량을 MB 단위로 표시합니다.
-g	메모리 사용량을 GB 단위로 표시합니다.
-t	최종 출력 결과에 전체 메모리 양과 스왑 파티션을 출력합니다.
-o	시스템 버퍼 열을 표시하지 않습니다.
-s 간격 초	지정된 간격에 따라 메모리 사용량을 계속 표시합니다.

free 命令可以显示系统中剩余及已用的物理内存和交换内存，以及共享内存和被核心使用的缓冲区。

如果加上 -h 选项，输出的结果会友好很多：

有时我们需要持续的观察内存的状况，此时可以使用 -s 选项并指定间隔的秒数：

$ free -h -s 3

위 명령은 ctrl + c를 누를 때까지 3초마다 메모리 사용량을 출력합니다.

free 명령 자체는 상대적으로 간단하므로 이 글에서는 free 명령을 통해 시스템의 현재 메모리 사용량을 이해하는 방법에 중점을 둘 것입니다.

출력 소개

먼저 출력 내용을 설명하겠습니다.

• Mem 두 번째 줄(두 번째 줄)은 메모리 사용량입니다.

• Swap 라인(세 번째 라인)은 스왑 공간의 사용법입니다.

• total 열에는 시스템의 사용 가능한 총 물리적 메모리와 스왑 공간 크기가 표시됩니다.

• used 열에는 사용된 물리적 메모리와 스왑 공간이 표시됩니다.

• free 열은 사용할 수 있는 실제 메모리와 스왑 공간의 양을 보여줍니다.

• shared 열은 공유 메모리에서 사용하는 물리적 메모리의 양을 보여줍니다.

• buff/cache 열에는 버퍼와 캐시에서 사용하는 물리적 메모리 크기가 표시됩니다.

• available 열에는 애플리케이션에서도 사용할 수 있는 실제 메모리의 양이 표시됩니다.

위 출력은 몇 가지 기본 개념을 이해한 후에야 시스템의 메모리 상태를 이해하는 데 도움이 될 수 있다고 생각합니다.

buff/cache

먼저 질문하겠습니다. 버퍼와 캐시는 두 가지 유형의 메모리여야 하는데, free 명령은 왜 두 가지를 함께 묶는 걸까요? 이 질문에 답하려면 약간의 준비가 필요합니다. 먼저 버퍼와 캐시의 의미를 명확히 해보자.

버퍼 운영체제에서는 버퍼캐시를 지칭하는데, 일반적으로 중국어로 '버퍼'로 번역된다. 버퍼를 이해하려면 "섹터"와 "섹터"라는 두 가지 다른 개념을 이해해야 합니다. "조각". 섹터는 장치의 가장 작은 주소 지정 단위이며 "하드 섹터" 또는 "장치 블록"이라고도 합니다. 블록은 운영 체제에서 파일 시스템의 가장 작은 주소 지정 단위로 "파일 블록" 또는 "I/O"라고도 합니다. "블록". 각 블록에는 하나 이상의 섹터가 포함되지만 페이지보다 클 수는 없으므로 페이지는 메모리에 하나 이상의 블록을 보유할 수 있으며 각 블록은 버퍼 영역에 저장됩니다. 블록은 메모리의 디스크 블록 표현과 동일합니다(아래 그림은 인터넷에서 가져온 것입니다).

버퍼 캐시에는 블록 개념만 있고 파일은 없습니다. 개념적으로는 블록에 어떤 파일 형식이 저장되어 있는지 신경 쓰지 않고 디스크의 블록을 메모리로 직접 이동하는 것뿐입니다.

cache는 운영 체제에서 페이지 캐시를 의미하며 일반적으로 페이지 캐시는 커널에 의해 구현된 디스크 캐시입니다. 주로 디스크의 I/O 작업을 줄이는 데 사용됩니다. 특히 캐싱을 통해 디스크에 대한 액세스를 디스크에 대한 액세스로 변경합니다. 디스크의 데이터를 물리적 메모리로 캐시합니다. 페이지 캐시는 메모리 페이지를 캐시합니다. 캐시의 페이지는 일반 파일, 블록 장치 파일(버퍼 캐시 참조) 및 메모리 매핑 파일을 읽고 쓰는 데 사용됩니다. 페이지 캐시. 커널이 파일을 읽으려고 할 때(예: /etc/hosts), 먼저 이 파일의 데이터가 이미 페이지 캐시에 있는지 확인합니다. 그렇다면 디스크 액세스를 포기하고 메모리에서 직접 읽으십시오. 이 동작을 캐시 적중이라고 합니다. 데이터가 캐시에 없으면 캐시 미스가 발생하고 커널이 블록을 예약합니다. I/O 작업은 디스크에서 데이터를 읽습니다. 그런 다음 커널은 읽은 데이터를 페이지 캐시에 배치합니다. 이 캐시는 파일 시스템에서 인식되는 파일(예: /etc/hosts)을 대상으로 합니다.
페이지 캐시의 블록 장치 파일 캐시는 앞서 소개한 버퍼 캐시입니다. 개별 디스크 블록도 버퍼를 통해 페이지 캐시에 저장되기 때문입니다(버퍼는 궁극적으로 페이지 캐시에 의해 호스팅됩니다).

이 시점에서 우리는 그것을 알아냈어야 했습니다. 버퍼인지 페이지 캐시인지는 동일한 방식으로 구현됩니다. 버퍼는 개념적으로 특별한 페이지 캐시일 뿐입니다.

그럼 왜? free 명령어는 buff/cache가 아닌 직접적으로 캐시를 호출하는 것 아닌가요? 이는 버퍼 및 페이지 캐시 구현이 본질적으로 통합되지 않기 때문입니다. 리눅스에서 커널 2.4 그래야만 통일될 수 있습니다. 이전 커널에는 페이지 캐시와 버퍼 캐시라는 두 개의 별도 디스크 캐시가 있었습니다. 전자는 페이지를 캐시하고 후자는 버퍼를 캐시합니다. 내용을 알고 나면 출력의 열 이름은 더 이상 중요하지 않을 수 있습니다.

free 与 available

在 free 命令的输出中，有一个 free 列，同时还有一个 available 列。这二者到底有何区别？
free 是真正尚未被使用的物理内存数量。至于 available 就比较有意思了，它是从应用程序的角度看到的可用内存数量。Linux 内核为了提升磁盘操作的性能，会消耗一部分内存去缓存磁盘数据，就是我们介绍的 buffer 和 cache。所以对于内核来说，buffer 和 cache 都属于已经被使用的内存。当应用程序需要内存时，如果没有足够的 free 内存可以用，内核就会从 buffer 和 cache 中回收内存来满足应用程序的请求。所以从应用程序的角度来说，available  = free + buffer + cache。请注意，这只是一个很理想的计算方式，实际中的数据往往有较大的误差。

交换空间(swap space)

swap space 是磁盘上的一块区域，可以是一个分区，也可以是一个文件。所以具体的实现可以是 swap 分区也可以是 swap 文件。当系统物理内存吃紧时，Linux 会将内存中不常访问的数据保存到 swap 上，这样系统就有更多的物理内存为各个进程服务，而当系统需要访问 swap 上存储的内容时，再将 swap 上的数据加载到内存中，这就是常说的换出和换入。交换空间可以在一定程度上缓解内存不足的情况，但是它需要读写磁盘数据，所以性能不是很高。

现在的机器一般都不太缺内存，如果系统默认还是使用了 swap 是不是会拖累系统的性能？理论上是的，但实际上可能性并不是很大。并且内核提供了一个叫做 swappiness 的参数，用于配置需要将内存中不常用的数据移到 swap 中去的紧迫程度。这个参数的取值范围是 0～100，0 告诉内核尽可能的不要将内存数据移到 swap 中，也即只有在迫不得已的情况下才这么做，而 100 告诉内核只要有可能，尽量的将内存中不常访问的数据移到 swap 中。在 ubuntu 系统中，swappiness 的默认值是 60。如果我们觉着内存充足，可以在 /etc/sysctl.conf 文件中设置 swappiness：

vm.swappiness=10

如果系统的内存不足，则需要根据物理内存的大小来设置交换空间的大小。具体的策略网上有很丰富的资料，这里笔者不再赘述。

/proc/meminfo 文件

其实 free 命令中的信息都来自于 /proc/meminfo 文件。/proc/meminfo 文件包含了更多更原始的信息，只是看起来不太直观：

$ cat /proc/meminfo

有兴趣的同学可以直接查看这个文件。

总结

free 命令是一个既简单又复杂的命令。简单是因为这个命令的参数少，输出结果清晰。说它复杂则是因为它背后是比较晦涩的操作系统中的概念，如果不清楚这些概念，即便看了 free 命令的输出也 get 不到多少有价值的信息。

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