Linux中进程内存及cgroup内存统计差异

Linux内存简介

由于BIOS和Kernel启动过程消耗了部分内存，因此MemTotal值（free命令获取）小于RAM容量。

dmesg | grep Memory
Memory: 131604168K/134217136K available (14346K kernel code, 9546K rwdata, 9084K rodata, 2660K init, 7556K bss, 2612708K reserved, 0K cma-reserved)

Linux内存查询命令：

free命令

/proc/meminfo命令

通过查询到的内存数据可以得到Linux内存计算公式如下：

total = used + free + buff/cache    //总内存=已使用内存+空闲内存+缓存

其中，已使用内存数据包括Kernel消耗的内存和所有进程消耗的内存。
说明
kernel used=Slab + VmallocUsed + PageTables + KernelStack + HardwareCorrupted + Bounce + X

进程内存

进程消耗的内存包括：

• 虚拟地址空间映射的物理内存。
• 读写磁盘生成PageCache消耗的内存。

虚拟地址映射的物理内存

• 物理内存：硬件安装的内存（内存条）。
• 虚拟内存：操作系统为程序运行提供的内存。程序运行空间包括用户空间（用户态）和内核空间（内核态）。
  • 用户态：低特权运行程序。

    数据存储空间包括：

    • 栈（Stack）：函数调用的函数栈
    • MMap（Memory Mapping Segment）：内存映射区
    • 堆（Heap）：动态分配内存
    • BBS区：未初始化的静态变量存放区
    • Data区：已初始化的静态常量存放区
    • Text区：二进制可执行代码存放区

    用户态中运行的程序通过MMap将虚拟地址映射至物理内存中。

  • 内核态：运行的程序需要访问操作系统内核数据。
    数据存储空间包括：
    • 直接映射区：通过简单映射将虚拟地址映射至物理内存中。
    • VMALLOC：内核动态映射空间，用于将连续的虚拟地址映射至不连续的物理内存中。
    • 持久内核映射区：将虚拟地址映射至物理内存的高端内存中。
    • 固定映射区：用于满足特殊映射需求。

虚拟地址映射的物理内存可以区分为共享物理内存和独占物理内存。如下图所示，物理内存1和3由进程A独占，物理内存2由进程B独占，物理内存4由进程A和进程B共享。

PageCache

除了通过MMap文件直接映射外，进程文件还可以通过系统调用Buffered I/O相关的Syscall将数据写入到PageCache，因此，PageCache也会占用一部分内存。

进程内存统计指标

单进程内存统计指标

进程资源存储类型如下：

• Anonymous（匿名页）：程序自行使用的堆栈空间，在磁盘上没有对应文件。
• File-backed（文件页）：资源存放在磁盘文件中，文件内包含代码段、字体信息等内容。

说明
相关指标：

• anno_rss（RSan）：所有类型资源的独占内存。
• file_rss（RSfd）：File-backed资源占用的所有内存。
• shmem_rss（RSsh）：Anonymous资源的共享内存。

指标查询命令如下：

top

ps

smem

说明
WSS（Memoy Working Set Size）指标：一种更为合理评估进程内存真实使用内存的计算方式。但是受限于Linux Page Reclaim机制，这个概念目前还只是概念，并没有哪一个工具可以正确统计出WSS，只能是趋近。

进程控制组内存统计指标

控制组（Cgroup）用于对Linux的一组进程资源进行限制、管理和隔离。更多信息，请参见官方文档。
Cgroup按层级管理，每个节点都包含一组文件，用于统计由这个节点包含的控制组的某些方面的指标。例如，Memory Control Group（memcg）统计内存相关指标。

Memory Cgroup文件包含以下指标：

cgroup.event_control       #用于eventfd的接口
memory.usage_in_bytes      #显示当前已用的内存
memory.limit_in_bytes      #设置/显示当前限制的内存额度
memory.failcnt             #显示内存使用量达到限制值的次数
memory.max_usage_in_bytes  #历史内存最大使用量
memory.soft_limit_in_bytes #设置/显示当前限制的内存软额度
memory.stat                #显示当前cgroup的内存使用情况
memory.use_hierarchy       #设置/显示是否将子cgroup的内存使用情况统计到当前cgroup里面
memory.force_empty         #触发系统立即尽可能的回收当前cgroup中可以回收的内存
memory.pressure_level      #设置内存压力的通知事件，配合cgroup.event_control一起使用
memory.swappiness          #设置和显示当前的swappiness
memory.move_charge_at_immigrate #设置当进程移动到其他cgroup中时，它所占用的内存是否也随着移动过去
memory.oom_control         #设置/显示oom controls相关的配置
memory.numa_stat           #显示numa相关的内存

其中需要关注以下3个指标：

• memory.limit_in_bytes：限制当前控制组可以使用的内存大小。对应K8s、Docker下memory limit指标。
• memory.usage_in_bytes：当前控制组里所有进程实际使用的内存总和，约等于memory.stat文件下的RSS+Cache指标值。
• memory.stat：当前控制组的内存统计详情。

  memory.stat文件字段	说明
  cache	PageCache缓存页大小。
  rss	控制组中所有进程的anno_rss内存之和。
  mapped_file	控制组中所有进程的file_rss和shmem_rss内存之和。
  active_anon	活跃LRU（least-recently-used，最近最少使用）列表中所有Anonymous进程使用内存和Swap缓存，包括 tmpfs（shmem），单位为字节。
  inactive_anon	不活跃LRU列表中所有Anonymous进程使用内存和Swap缓存，包括 tmpfs（shmem），单位为字节。
  active_file	活跃LRU列表中所有File-backed进程使用内存，以字节为单位。
  inactive_file	不活跃LRU列表中所有File-backed进程使用内存，以字节为单位。
  unevictable	无法再生的内存，以字节为单位。

  以上指标中如果带有total_前缀则表示当前控制组及其下所有子孙控制组对应指标之和。例如total_rss指标表示当前控制组及其下所有子孙控制组的RSS指标之和。

总结

单进程和进程控制组指标区别：

• 控制组的RSS指标只包含anno_rss，对应单进程下的USS指标，因此控制组的mapped_file+RSS则对应单进程下的RSS指标。
• 单进程中PageCache需单独统计，控制组中memcg文件统计的内存已包含PageCache。