前言

在Linux服務(wù)器的運(yùn)維場景中，程序突然卡頓且無日志報錯、CPU未跑滿的情況時有發(fā)生，此時內(nèi)存問題往往是潛在的“罪魁禍?zhǔn)?rdquo;。對于開發(fā)運(yùn)維人員而言，掌握free、vmstat、sar這三個命令，就如同為服務(wù)器配備了專業(yè)的“體檢工具”，能夠在短短幾分鐘內(nèi)精準(zhǔn)定位內(nèi)存相關(guān)的故障根源，為高效解決問題提供有力支持。

一、內(nèi)存排查的必要性

當(dāng)內(nèi)存容量充足時，程序能夠順暢運(yùn)行；然而，一旦內(nèi)存不足，便會引發(fā)一系列問題。一方面，程序可能因無法獲取足夠的內(nèi)存空間而崩潰；另一方面，系統(tǒng)不得不借助磁盤的“備用倉庫”（即swap分區(qū)）來存儲和讀取數(shù)據(jù)。但磁盤的讀寫速度相較于內(nèi)存而言，慢了100倍以上，這種速度差異必然導(dǎo)致程序出現(xiàn)明顯的卡頓現(xiàn)象，嚴(yán)重影響服務(wù)器的性能和用戶體驗(yàn)。

二、free命令：內(nèi)存排查的“入門利器”

free命令堪稱內(nèi)存排查領(lǐng)域的“入門款”工具，它能夠快速提供關(guān)于內(nèi)存使用情況的基本信息，讓用戶迅速了解服務(wù)器的內(nèi)存狀態(tài)。

（一）簡單操作與靈活參數(shù)

在Linux終端中，只需輸入“free”命令，即可查看內(nèi)存的初始狀態(tài)。若希望結(jié)果以更人性化的GB/MB為單位顯示，避免記憶KB數(shù)值的繁瑣，可添加“-h”參數(shù)；若想實(shí)現(xiàn)每隔一定時間（如3秒）自動刷新內(nèi)存信息，可添加“-s 3”參數(shù)。具體命令如下：

free -h -s 3

（二）結(jié)果解讀：洞察內(nèi)存“收支”

free命令輸出的結(jié)果包含多個核心字段，每個字段都如同倉庫的“收支數(shù)據(jù)”，反映了內(nèi)存的不同使用情況：

• Mem（物理內(nèi)存主倉庫）：這是程序最常用的內(nèi)存空間，類似于實(shí)際工作中的主要工作區(qū)域。
  • total：表示主倉庫的總?cè)萘浚?.9GB，反映了服務(wù)器物理內(nèi)存的總量。
  • used：顯示已使用的內(nèi)存容量，如298MB，體現(xiàn)了當(dāng)前正在被程序占用的內(nèi)存大小。
  • free：代表完全未被使用的“空倉庫”容量，例如814MB。但需要注意的是，這個值并非真正可用的內(nèi)存，因?yàn)檫€需要考慮緩沖和緩存所占用的空間。
  • buff/cache（臨時存儲區(qū)）：這部分內(nèi)存類似于倉庫的“暫存架”，用于臨時存儲數(shù)據(jù)。
    • buff（緩沖區(qū)）：剛從磁盤接收的數(shù)據(jù)會先存放在這里進(jìn)行整理，類似于快遞站的“待分揀區(qū)”。例如，剛下載的文件碎片會暫時存儲在緩沖區(qū)，等待進(jìn)一步處理。
    • cache（緩存區(qū)）：頻繁訪問的文件或數(shù)據(jù)會被存放在這里，以便快速調(diào)用，類似于家里的“常用物品柜”。例如，常用的程序代碼會被緩存在此，提高程序運(yùn)行效率。
  • available（真正可用內(nèi)存）：這是最為關(guān)鍵的指標(biāo)，其值大約等于free + buff/cache，例如1.6GB。當(dāng)這個值低于total的10%時，就表明內(nèi)存已經(jīng)接近耗盡，需要及時采取措施。
• Swap（內(nèi)存?zhèn)溆脗}庫）：這是磁盤上劃分的專門空間，作為內(nèi)存的備用區(qū)域。只有當(dāng)主倉庫（物理內(nèi)存）滿載時，系統(tǒng)才會使用Swap分區(qū)。但由于磁盤速度遠(yuǎn)慢于內(nèi)存，使用Swap分區(qū)會導(dǎo)致性能下降。

（三）實(shí)際場景應(yīng)用：快速判斷內(nèi)存狀況

通過free命令，運(yùn)維人員可以在10秒內(nèi)快速判斷內(nèi)存是否充足。例如，當(dāng)使用“free -h”命令查看結(jié)果時，如果發(fā)現(xiàn)available值只有100MB（而總內(nèi)存為1.9GB），這就表明內(nèi)存已經(jīng)非常緊張，可能需要清理緩存或考慮升級內(nèi)存。另外，如果Swap的used值大于0，并且持續(xù)增加，這說明主倉庫的內(nèi)存已經(jīng)不夠用，系統(tǒng)開始頻繁使用備用倉庫，此時必須盡快排查原因，避免問題進(jìn)一步惡化。

三、vmstat命令：內(nèi)存+CPU+IO的“全面體檢專家”

vmstat命令猶如服務(wù)器的“全面體檢報告”，它不僅能夠提供內(nèi)存的使用情況，還能同時監(jiān)測CPU和IO的狀態(tài)，是Linux運(yùn)維領(lǐng)域中備受推崇的“明星命令”。

（一）使用方法：定期統(tǒng)計，精準(zhǔn)把握

在終端中輸入“vmstat”命令，默認(rèn)會統(tǒng)計一次當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)。若希望實(shí)現(xiàn)定期統(tǒng)計，例如每隔5秒統(tǒng)計一次，共統(tǒng)計3次，可使用以下命令：

vmstat 5 3

其中，第一個數(shù)字“5”表示統(tǒng)計間隔（秒），第二個數(shù)字“3”表示統(tǒng)計次數(shù)。通過定期統(tǒng)計，可以更準(zhǔn)確地觀察系統(tǒng)性能的變化趨勢。

（二）結(jié)果解讀：按模塊剖析性能維度

vmstat的輸出字段較多，但按照不同的性能維度進(jìn)行模塊劃分后，理解起來就變得相對簡單。

• procs（進(jìn)程排隊情況）
  • r：表示正在運(yùn)行以及等待CPU的進(jìn)程數(shù)。如果這個數(shù)值長期大于服務(wù)器的CPU核心數(shù)（例如，服務(wù)器為4核CPU，而r長期大于4），則說明CPU資源不足，進(jìn)程需要排隊等待處理。
  • b：代表等待資源的進(jìn)程數(shù)，這些資源可能包括內(nèi)存、磁盤IO等。如果這個數(shù)值大于0，說明有進(jìn)程因?yàn)橘Y源不足而“卡殼”，無法正常執(zhí)行。
• memory（內(nèi)存主倉庫+備用倉庫）
  • swpd：顯示備用倉庫（Swap）已經(jīng)使用的空間大?。▎挝唬篕B）。如果這個數(shù)值大于0，說明主倉庫的內(nèi)存已經(jīng)不夠用，系統(tǒng)開始使用備用倉庫。如果swpd長期大于0且持續(xù)增加，就需要考慮升級內(nèi)存或者終止一些無用的進(jìn)程。
  • free：表示主倉庫的空閑內(nèi)存容量。
  • buff：緩沖區(qū)容量，類似于數(shù)據(jù)整理的“待分揀區(qū)”。
  • cache：緩存區(qū)容量，類似于存放常用物品的“常用物品柜”。如果cache的值非常大，而io中的bi值比較小，說明文件系統(tǒng)的緩存效率較高，能夠有效地減少磁盤IO操作。
• swap（備用倉庫存取速度）
  • si：每秒從備用倉庫（磁盤）讀入內(nèi)存的數(shù)據(jù)量（單位：KB），即從備用倉庫往主倉庫運(yùn)輸數(shù)據(jù)。
  • so：每秒從內(nèi)存寫入備用倉庫的數(shù)據(jù)量（單位：KB），即主倉庫放不下數(shù)據(jù)時，往備用倉庫運(yùn)輸數(shù)據(jù)。正常情況下，si和so的值都應(yīng)該為0。如果這兩個值長期大于0（例如持續(xù)5分鐘都有數(shù)值），說明主倉庫的內(nèi)存嚴(yán)重不足，必須采取措施解決，如升級內(nèi)存或檢查是否存在內(nèi)存泄漏問題。
• io（磁盤讀寫速度）
  • bi：每秒從磁盤讀入的數(shù)據(jù)量（單位：KB）。
  • bo：每秒寫入磁盤的數(shù)據(jù)量（單位：KB）。如果bi + bo的值很大，并且后面的wa（IO等待CPU時間）大于20%，說明磁盤IO成為了系統(tǒng)的瓶頸，即使內(nèi)存容量足夠，也會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。
• system（系統(tǒng)內(nèi)核消耗的CPU）
  • in：表示某一時間間隔內(nèi)觀測到的每秒設(shè)備終端數(shù)。
  • cs：表示每秒產(chǎn)生的上下文切換次數(shù)。這個值越小越好，如果值過大，說明CPU大部分時間浪費(fèi)在上下文切換上，沒有得到充分利用。此時，需要考慮調(diào)低線程或者進(jìn)程的數(shù)目，以提高CPU的使用效率。需要注意的是，in和cs的值越大，由內(nèi)核消耗的CPU就越多。
• CPU（CPU干活情況）
  • us：用戶程序使用的CPU時間占比，例如訂單系統(tǒng)、網(wǎng)頁服務(wù)等業(yè)務(wù)程序。如果這個值長期大于50%，說明用戶程序?qū)PU的占用過高，可能需要優(yōu)化程序或算法。
  • sy：系統(tǒng)內(nèi)核使用的CPU時間占比，例如內(nèi)存管理、磁盤IO等系統(tǒng)操作。us + sy的值最好小于80%，否則說明CPU資源不足，無法滿足系統(tǒng)運(yùn)行的需求。
  • id：表示CPU處于空閑狀態(tài)的時間百分比。
  • wa：表示IO等待所占用的CPU時間百分比。如果wa大于20%，說明IO操作過慢，拖慢了整個系統(tǒng)的速度。引起I/O等待的原因可能是磁盤大量隨機(jī)讀寫造成的，也可能是磁盤或者監(jiān)控器的帶寬瓶頸（主要是塊操作）導(dǎo)致的。

（三）實(shí)際場景應(yīng)用：破解“內(nèi)存+CPU+IO”連環(huán)瓶頸

例如，某服務(wù)器使用“vmstat 5 3”命令進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)swpd = 1GB（備用倉庫正在使用）、si = 50KB/s（持續(xù)從備用倉庫讀入數(shù)據(jù)）、wa = 25%（IO等待時間較長）。這一系列數(shù)據(jù)表明，服務(wù)器內(nèi)存不足，導(dǎo)致系統(tǒng)開始使用備用倉庫。而備用倉庫位于磁盤，磁盤IO速度較慢，進(jìn)而使得CPU需要等待IO操作完成，形成了“內(nèi)存不足→使用備用倉庫→磁盤IO慢→CPU等待”的連環(huán)瓶頸。在這種情況下，首先需要增加服務(wù)器的內(nèi)存容量，然后再檢查磁盤IO的性能，進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

四、sar命令：內(nèi)存狀態(tài)的“定期復(fù)查記錄”

sar命令類似于內(nèi)存的“定期復(fù)查記錄”，它與free命令功能類似，但更適合用于“長期監(jiān)控”。例如，如果希望每隔3秒查看一次內(nèi)存變化情況，無需手動刷新，sar命令可以自動持續(xù)輸出內(nèi)存信息。

（一）使用方法：持續(xù)監(jiān)控，輕松掌握

在終端中輸入以下命令，即可實(shí)現(xiàn)每隔3秒輸出一次內(nèi)存信息，按Ctrl + C組合鍵可以停止監(jiān)控：

sar -r 3

其中，參數(shù)“-r”表示查看內(nèi)存使用率相關(guān)統(tǒng)計，后面的“3”是統(tǒng)計間隔（秒）。

（二）結(jié)果解讀：與free“互通有無”

sar命令的輸出字段和free命令的核心含義一致，例如kbmemfree（空閑內(nèi)存）、kbmemused（已用內(nèi)存）、kbbuffers（緩沖區(qū)）、kbcached（緩存區(qū)）等，只是顯示格式有所不同。通過sar命令，用戶可以快速了解服務(wù)器的內(nèi)存狀態(tài)，特別適合需要“長期觀察內(nèi)存變化”的場景，例如監(jiān)控某程序運(yùn)行時的內(nèi)存消耗情況。

五、內(nèi)存排查思路：高效定位問題的“三步法”

為了提高內(nèi)存排查的效率，可以按照“先整體、再細(xì)節(jié)、后長期”的思路進(jìn)行操作：

（一）第一步：用free快速判斷“內(nèi)存夠不夠”

首先輸入“free -h”命令，查看available（可用內(nèi)存）的占比情況。如果available值大于總內(nèi)存的20%，說明內(nèi)存充足；如果小于10%，則表明內(nèi)存緊張，需要進(jìn)一步深入排查。

（二）第二步：用vmstat找“瓶頸在哪”

如果free命令顯示內(nèi)存緊張，接下來輸入“vmstat 5 3”命令，仔細(xì)觀察swap的si/so（判斷是否在使用備用倉庫）、procs的r/b（查看進(jìn)程是否排隊）、IO的wa（確定是否因IO拖慢系統(tǒng)）等指標(biāo)。通過這些數(shù)據(jù)，可以定位問題究竟是單純的內(nèi)存問題，還是內(nèi)存與CPU/IO混合導(dǎo)致的問題。

（三）第三步：用sar做“長期監(jiān)控”

如果想跟蹤某程序（例如新上線的APP）的內(nèi)存消耗情況，輸入“sar -r 3”命令，持續(xù)觀察內(nèi)存的變化趨勢。通過長期監(jiān)控，可以判斷程序是否存在“內(nèi)存泄漏”問題，即程序在運(yùn)行過程中內(nèi)存使用量逐漸增加，最終導(dǎo)致內(nèi)存耗盡。

六、總結(jié)

free、vmstat、sar這三個命令在服務(wù)器內(nèi)存排查中各有其獨(dú)特的用途：

• free命令主要用于“快速查看”服務(wù)器的內(nèi)存使用情況，為用戶提供一個初步的內(nèi)存狀態(tài)評估。
• vmstat命令則擅長“全面排查”，能夠同時監(jiān)測內(nèi)存、CPU和IO等多個性能指標(biāo)，幫助用戶深入分析系統(tǒng)性能瓶頸。
• sar命令適用于“長期監(jiān)控”，可以持續(xù)跟蹤內(nèi)存的變化情況，對于發(fā)現(xiàn)潛在的內(nèi)存問題具有重要意義。

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