摘要
性能工具：系统内存
本章概述了系统级的Linux内存性能工具。本章将讨论这些工具可以测量的内存统计信息，以及如何使用各种工具收集这些统计结果。阅读本章后，你将能够：
理解系统级性能的基本指标，包括内存的使用情况。
明白哪些工具可以检索这些系统级性能指标。
3.1 内存性能统计信息
每一种系统级Linux性能工具都提供了不同的方式来提取类似的统计结果。虽然没有工具能显示全部的信息，但是有些工具显示的统计信息是相同的。本章开始将对这些统计数据的详细信息进行说明，之后在介绍工具时会引用这些描述。
3.1.1 内存子系统和性能
在现代处理器中，与CPU执行代码或处理信息相比，向内存子系统保存信息或从中读取信息一般花费的时间更长。通常，在CPU执行指令或处理数据前，它会消耗相当多的空闲时间来等待从内存中取出指令和数据。处理器用不同层次的高速缓存（cache）来弥补这种缓慢的内存性能。工具，如oprofile，可以显示各种处理器高速缓存缺失所发生的位置。
3.1.2 内存子系统（虚拟存储器）
任何给定的Linux系统都有一定容量的RAM或物理内存。在这个物理内存中寻址时，Linux将其分成块或内存“页”。当对内存进分配或传送时，Linux操作的单位是页，而不是单个字节。在报告一些内存统计数据时，Linux内核报告的是每秒页面的数量，该值根据其运行的架构可以发生变化。清单3.1创建了一个小的应用程序来显示当前架构中每一页的字节数。
清单3.1
对IA32架构而言，页面大小为4KB。极少数情况下，这些页面大小的内存块会导致极高的跟踪开销，所以，内核用更大的块来操作内存，这些块被称为HugePage（大页面）。它们的容量为2048KB，而不是4KB，这大大降低了管理庞大内存的开销。某些应用，如Oracle，用这些大页面加载内存中的大量数据，同时又最小化Linux内核的管理开销。如果HugePage不能完全被填满，就会浪费相当多的内存。一个半填充的普通页面浪费2KB内存，而一个半填充的HugePage就会浪费1024KB的内存。
Linux内核可以分散收集这些物理页面，向应用程序呈现出一个精心设计的虚拟内存空间。
3.1.2.1 交换（物理内存不足）
所有系统RAM芯片的物理内存容量都是固定的。即使应用程序需要的内存容量大于可用的物理内存，Linux内核仍然允许这些程序运行。Linux内核使用硬盘作为临时存储器，这个硬盘空间被称为交换分区（swap space）。
尽管交换是让进程运行的极好的方法，但它却慢的要命。与使用物理内存相比，应用程序使用交换的速度可以慢到一千倍。如果系统性能不佳，确定系统使用了多少交换通常是有用的。
3.1.2.2 缓冲区（buffer）和缓存（cache）（物理内存太多）
相反，如果你的系统物理内存容量超过了应用程序的需求，Linux就会在物理内存中缓存近期使用过的文件，这样，后续访问这些文件时就不用去访问硬盘了。对要频繁访问硬盘的应用程序来说，这可以显著加速其速度，显然，对经常启动的应用程序而言，这是特别有用的。应用程序首次启动时，它需要从硬盘读取；但是，如果应用程序留着缓存中，那它就需要从更快速的物理内存读取。这个硬盘缓存不同于前面章节提到的处理器缓存。除了oprofile、valgrind和kcachegrind之外，大多数工具在报告“缓存”的统计信息时实际指的是硬盘缓存。
除了高速缓存，Linux还使用了额外的存储作为缓冲区。为了进一步优化应用程序，Linux为需要被写回硬盘的数据预留了存储空间。这些预留空间被称为缓冲区。如果应用程序要将数据写回硬盘，通常需要花费较长时间，Linux让应用程序立刻继续执行，但将文件数据保存到内存缓冲区。在之后的某个时刻，缓冲区被刷新到硬盘，而应用程序可以立即继续。
高速缓存和缓冲区的使用使得系统内空闲的内存很少，这会让人感到泄气，但这未必是件坏事。默认情况下，Linux试图尽可能多的使用你的内存。这是好事。如果Linux侦测到有空闲内存，它就会将应用程序和数据缓存到这些内存以加速未来的访问。由于访问内存的速度比访问硬盘的速度快了几个数量级，因此，这就可以显著地提升整体性能。如果系统需要缓存空间做更重要的事情，那么缓存空间将被擦除并交给系统。之后，对原来被缓存对象的访问就需要转向硬盘来满足。
3.1.2.3 活跃与非活跃内存
活跃内存是指当前被进程使用的内存。不活跃内存是指已经被分配了，但暂时还未使用的内存。这两种类型的内存没有本质上的区别。需要时，Linux找出进程最近最少使用的内存页面，并将它们从活跃列表移动到不活跃列表。当要选择把哪个内存页交换到硬盘时，内核就从不活跃内存列表中进行选择。
3.1.2.4 高端与低端内存
对拥有1GB或更多物理内存的32位处理器（比如IA32）来说，Linux管理内存时必须将其分为高端与低端内存。高端内存不能直接被Linux内核访问，而是必须在使用前映射到低端内存范围内。64位处理器（比如AMD64/EM6T、Alpha或Itanium）没有这个问题，因为它们可以直接寻址当前系统可用的额外内存。
3.1.2.5 内核的内存使用情况（分片）
除了应用程序需要分配内存外，Linux内核也会为了记账的目的消耗一定量的内存。记账包括，比如跟踪从网络或磁盘I/O来的数据，以及跟踪哪些进程正在运行，哪些正在休眠。为了管理记账，内核有一系列缓存，包含了一个或多个内存分片。每个分片为一组对象，个数可以是一个或多个。内核消耗的内存分片数量取决于使用的是Linux内核的哪些部分，而且还可以随着机器负载类型的变化而变化。