在數(shù)字化時(shí)代，服務(wù)器的穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到業(yè)務(wù)的興衰。想象一下，電商平臺(tái)在促銷(xiāo)活動(dòng)時(shí)，服務(wù)器突然卡頓，頁(yè)面加載緩慢，用戶無(wú)法順利下單；在線游戲中，玩家頻繁遭遇卡頓，技能釋放延遲，游戲體驗(yàn)大打折扣，最終導(dǎo)致大量用戶流失。這些場(chǎng)景并非虛構(gòu)，而是許多企業(yè)正在面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。

當(dāng)服務(wù)器出現(xiàn)卡頓，內(nèi)存往往成為首要懷疑對(duì)象。畢竟，內(nèi)存作為數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)域，承擔(dān)著數(shù)據(jù)的快速讀寫(xiě)任務(wù)。如果內(nèi)存不足，系統(tǒng)就不得不頻繁地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到硬盤(pán)上，這無(wú)疑會(huì)大大降低系統(tǒng)的運(yùn)行效率，導(dǎo)致服務(wù)器卡頓。但內(nèi)存問(wèn)題究竟如何影響服務(wù)器性能？又該如何進(jìn)行優(yōu)化呢？接下來(lái)，就讓我們深入 Linux 內(nèi)存世界，一探究竟。

Part1Linux內(nèi)存管理機(jī)制

在對(duì) Linux 系統(tǒng)內(nèi)存管理機(jī)制進(jìn)行深入優(yōu)化之前，我們需要先全面且細(xì)致地了解其基本運(yùn)行機(jī)制，這一必要性恰似醫(yī)生在治病救人前，必須深入透徹地了解人體的生理結(jié)構(gòu)。Linux 系統(tǒng)采用虛擬內(nèi)存系統(tǒng)，用戶空間應(yīng)用程序所引用的任何地址，都必須通過(guò)底層計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的頁(yè)表與地址轉(zhuǎn)換硬件相結(jié)合的方式，轉(zhuǎn)化為物理地址。

在 Linux 環(huán)境下，程序生成的所有內(nèi)存地址都會(huì)經(jīng)由處理器中的地址轉(zhuǎn)換機(jī)制進(jìn)行處理，將進(jìn)程特定的虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理內(nèi)存地址，這便是虛擬內(nèi)存的工作原理。就如同醫(yī)生只有精準(zhǔn)把握人體生理結(jié)構(gòu)，才能準(zhǔn)確診斷病情并制定有效治療方案，我們只有清晰掌握 Linux 內(nèi)存管理的基本機(jī)制，才能在后續(xù)的優(yōu)化工作中找準(zhǔn)方向，高效解決可能出現(xiàn)的內(nèi)存問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的提升 。

1.1 用戶空間與內(nèi)核空間內(nèi)存劃分

在 Linux 系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程都擁有 4GB 的虛擬地址空間（以 32 位系統(tǒng)為例），這就像是一個(gè)巨大的倉(cāng)庫(kù)，而這個(gè)倉(cāng)庫(kù)被劃分為兩個(gè)部分：用戶空間和內(nèi)核空間，它們的比例通常是 3:1 。用戶空間是進(jìn)程存放代碼、數(shù)據(jù)、堆和棧的地方，進(jìn)程在這個(gè)空間內(nèi)執(zhí)行用戶態(tài)的程序，就像是在自己的小天地里自由活動(dòng)，但這個(gè)小天地的權(quán)限是有限的。而內(nèi)核空間則是操作系統(tǒng)內(nèi)核的專(zhuān)屬區(qū)域，存放著內(nèi)核代碼和數(shù)據(jù)，它擁有最高權(quán)限，可以直接訪問(wèn)硬件資源，就像是倉(cāng)庫(kù)的管理員，掌控著一切。用戶進(jìn)程通常只能訪問(wèn)用戶空間的虛擬地址，不能直接訪問(wèn)內(nèi)核空間。只有通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用、中斷或異常等方式，進(jìn)程才能從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，進(jìn)入內(nèi)核空間執(zhí)行操作，就像普通人需要通過(guò)特定的渠道才能聯(lián)系到倉(cāng)庫(kù)管理員一樣。

圖片

1.2 內(nèi)存分配與回收機(jī)制

內(nèi)存分配就像是在倉(cāng)庫(kù)里分配貨架給不同的商品。當(dāng)進(jìn)程需要內(nèi)存時(shí)，它會(huì)向操作系統(tǒng)申請(qǐng)。在用戶空間，常用的內(nèi)存分配函數(shù)有malloc、calloc和realloc等。這些函數(shù)通過(guò)與操作系統(tǒng)的交互來(lái)獲取內(nèi)存。而在內(nèi)核空間，主要有kmalloc、vmalloc和get_free_pages等函數(shù)用于內(nèi)存分配 。kmalloc用于分配較小的連續(xù)物理內(nèi)存塊，就像是分配一個(gè)小貨架，保證物理上的連續(xù)性，適合一些對(duì)內(nèi)存訪問(wèn)速度要求較高的場(chǎng)景；vmalloc則用于分配較大的虛擬內(nèi)存，這些內(nèi)存可能在物理上不連續(xù)，但在虛擬地址空間上是連續(xù)的，如同分配一個(gè)大的、可以拼接的貨架，適合分配大塊內(nèi)存的情況；get_free_pages用于以頁(yè)為單位分配連續(xù)的物理內(nèi)存，頁(yè)是內(nèi)存管理的基本單位，通常為 4KB，就像是按固定大小的小格子來(lái)分配內(nèi)存。

當(dāng)進(jìn)程不再需要內(nèi)存時(shí)，就需要進(jìn)行內(nèi)存回收，把貨架歸還給倉(cāng)庫(kù)。在用戶空間，使用free函數(shù)釋放通過(guò)malloc等函數(shù)分配的內(nèi)存。內(nèi)核空間中，對(duì)應(yīng)的有kfree等函數(shù)用于釋放kmalloc分配的內(nèi)存 。同時(shí)，Linux 內(nèi)核還會(huì)通過(guò)一些后臺(tái)線程，如kswapd，定期檢查內(nèi)存的使用情況，回收那些長(zhǎng)時(shí)間未被使用的內(nèi)存，將其重新標(biāo)記為可用，就像倉(cāng)庫(kù)管理員定期清理那些長(zhǎng)時(shí)間閑置的貨架，以便重新分配給其他需要的人。

當(dāng)我們透徹掌握了 Linux 內(nèi)存管理機(jī)制，諸如虛擬內(nèi)存怎樣巧妙地將物理內(nèi)存與磁盤(pán)空間有機(jī)結(jié)合，為應(yīng)用程序拓展出更為廣闊的可用內(nèi)存空間；頁(yè)緩存又是如何高效緩存文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)，從而大幅提升 I/O 性能；slab 分配器怎樣精細(xì)管理內(nèi)核對(duì)象緩存等關(guān)鍵要點(diǎn)后，便如同手握一把萬(wàn)能鑰匙，擁有了深入剖析服務(wù)器內(nèi)存卡頓問(wèn)題的有力工具 。

Part2精準(zhǔn)定位內(nèi)存問(wèn)題

在優(yōu)化之前，我們需要先找到內(nèi)存問(wèn)題的根源，就像醫(yī)生看病需要先診斷病情一樣。下面介紹一些常用的內(nèi)存監(jiān)控工具和內(nèi)存問(wèn)題的識(shí)別方法。

2.1內(nèi)存監(jiān)控工具

①free 命令：這是一個(gè)簡(jiǎn)單而實(shí)用的命令，用于查看系統(tǒng)內(nèi)存的使用情況，就像是查看倉(cāng)庫(kù)的庫(kù)存清單。執(zhí)行free -h（-h參數(shù)表示以人類(lèi)可讀的格式顯示），輸出結(jié)果如下：

total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:           7.7G        2.0G        3.5G        112M        2.2G        5.3G
Swap:          2.0G          0B        2.0G

• total：表示系統(tǒng)的總內(nèi)存量，這里是 7.7G 。
• used：已使用的內(nèi)存量，為 2.0G 。
• free：完全空閑的內(nèi)存量，3.5G 。
• shared：多個(gè)進(jìn)程共享的內(nèi)存量，112M 。
• buff/cache：用于緩存和緩沖區(qū)的內(nèi)存量，2.2G ，這部分內(nèi)存主要用于加速文件系統(tǒng)的讀寫(xiě)操作，就像倉(cāng)庫(kù)中用于臨時(shí)存放常用物品的區(qū)域，雖然被占用，但在需要時(shí)可以快速釋放供其他進(jìn)程使用。
• available：表示可用于進(jìn)程下一次分配的內(nèi)存量，它是一個(gè)估計(jì)值，考慮了內(nèi)存的緩存和緩沖區(qū)等因素，這里是 5.3G ，這個(gè)數(shù)值對(duì)于判斷系統(tǒng)實(shí)際可用內(nèi)存更有參考價(jià)值。

②top 命令：top 命令可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地查看系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況，包括內(nèi)存使用、CPU 占用等，是系統(tǒng)管理員常用的監(jiān)控工具，就像一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)的儀表盤(pán)。執(zhí)行top命令后，按M鍵可以按照內(nèi)存使用量對(duì)進(jìn)程進(jìn)行排序，這樣就能快速找到占用內(nèi)存較多的進(jìn)程 。在 top 命令的輸出中，與內(nèi)存相關(guān)的重要字段有：

• VIRT：進(jìn)程使用的虛擬內(nèi)存總量，單位為 KB ，它包括進(jìn)程的代碼段、數(shù)據(jù)段、堆、棧以及共享庫(kù)所占用的內(nèi)存，就像是進(jìn)程申請(qǐng)的倉(cāng)庫(kù)空間總和，不管實(shí)際是否使用。
• RES：進(jìn)程使用的、未被換出的物理內(nèi)存大小，單位為 KB ，這是進(jìn)程真正占用的物理內(nèi)存，即進(jìn)程在倉(cāng)庫(kù)中實(shí)際使用的貨架空間。
• SHR：共享內(nèi)存大小，單位為 KB ，表示多個(gè)進(jìn)程共享的內(nèi)存部分，比如共享庫(kù)文件所占用的內(nèi)存，就像多個(gè)進(jìn)程共同租用的倉(cāng)庫(kù)區(qū)域。
• %MEM：進(jìn)程使用的物理內(nèi)存百分比，直觀地顯示了每個(gè)進(jìn)程對(duì)物理內(nèi)存的占用比例，幫助我們快速定位內(nèi)存占用大戶。

③vmstat 命令：vmstat 命令可以提供關(guān)于系統(tǒng)虛擬內(nèi)存、進(jìn)程、CPU 活動(dòng)以及 I/O 操作等方面的統(tǒng)計(jì)信息，幫助我們?nèi)媪私庀到y(tǒng)的性能狀況，就像一個(gè)多功能的系統(tǒng)性能檢測(cè)儀。執(zhí)行vmstat 1（表示每秒輸出一次統(tǒng)計(jì)信息），輸出結(jié)果的部分字段含義如下：

• swpd：使用的虛擬內(nèi)存量（KB），如果這個(gè)值大于 0，說(shuō)明系統(tǒng)正在使用虛擬內(nèi)存，可能物理內(nèi)存不足。
• free：空閑內(nèi)存量（KB），與 free 命令中的free字段含義相同。
• buff：用作緩沖區(qū)的內(nèi)存量（KB），用于存儲(chǔ)等待寫(xiě)入磁盤(pán)的數(shù)據(jù)。
• cache：用作緩存的內(nèi)存量（KB），用于緩存從磁盤(pán)讀取的數(shù)據(jù)。
• si：從磁盤(pán)交換進(jìn)內(nèi)存的數(shù)據(jù)量（KB / 秒），如果si和so（從內(nèi)存交換到磁盤(pán)的數(shù)據(jù)量）的值長(zhǎng)期不為零，表示系統(tǒng)正在頻繁進(jìn)行內(nèi)存交換，這可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，就像頻繁地在倉(cāng)庫(kù)和臨時(shí)存儲(chǔ)點(diǎn)之間搬運(yùn)貨物，效率會(huì)降低。

2.2識(shí)別內(nèi)存瓶頸與泄漏

• 判斷內(nèi)存瓶頸：當(dāng)系統(tǒng)的內(nèi)存使用率持續(xù)超過(guò) 80% ，或者可用內(nèi)存（free命令中的available字段）非常低，接近或低于系統(tǒng)的警戒值時(shí)，就可能出現(xiàn)了內(nèi)存瓶頸。此外，如果vmstat命令輸出中的si和so值頻繁變化且較大，說(shuō)明系統(tǒng)在頻繁地進(jìn)行內(nèi)存和磁盤(pán)之間的數(shù)據(jù)交換，這也是內(nèi)存不足的一個(gè)重要表現(xiàn)。例如，在一個(gè)運(yùn)行著多個(gè)服務(wù)的服務(wù)器上，通過(guò)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)內(nèi)存使用率一直保持在 90% 以上，available內(nèi)存只有幾百 MB ，同時(shí)si和so的值不斷上升，這就表明服務(wù)器可能已經(jīng)出現(xiàn)了內(nèi)存瓶頸，需要進(jìn)一步分析和優(yōu)化。
• 檢測(cè)內(nèi)存泄漏：內(nèi)存泄漏是指程序在分配內(nèi)存后，由于某些原因沒(méi)有釋放已不再使用的內(nèi)存，導(dǎo)致這些內(nèi)存無(wú)法被重新分配和使用，就像倉(cāng)庫(kù)中一些貨架被占用后卻無(wú)人清理，越來(lái)越多的貨物無(wú)處存放。檢測(cè)內(nèi)存泄漏可以通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)控內(nèi)存使用情況來(lái)發(fā)現(xiàn)。如果一個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存使用量持續(xù)增長(zhǎng)，即使在其業(yè)務(wù)邏輯沒(méi)有明顯變化的情況下也是如此，那么很可能存在內(nèi)存泄漏問(wèn)題。例如，一個(gè) Web 應(yīng)用程序在運(yùn)行一段時(shí)間后，內(nèi)存占用不斷攀升，最終導(dǎo)致服務(wù)器內(nèi)存耗盡，通過(guò)排查發(fā)現(xiàn)是程序中的一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)連接池沒(méi)有正確釋放連接，導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。

內(nèi)存泄漏的危害是非常嚴(yán)重的。它會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)可用內(nèi)存逐漸減少，最終耗盡，使系統(tǒng)性能急劇下降，甚至可能導(dǎo)致服務(wù)器崩潰。在一些長(zhǎng)期運(yùn)行的服務(wù)中，如數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、中間件服務(wù)器等，內(nèi)存泄漏的問(wèn)題可能會(huì)在不知不覺(jué)中積累，直到系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障才被發(fā)現(xiàn)，這會(huì)給業(yè)務(wù)帶來(lái)極大的影響。所以，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決內(nèi)存泄漏問(wèn)題是保障服務(wù)器穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

Part3實(shí)戰(zhàn)優(yōu)化策略

找到了內(nèi)存問(wèn)題，接下來(lái)就是要解決它，讓服務(wù)器告別卡頓。下面是一些實(shí)戰(zhàn)優(yōu)化的方法，這些方法都是經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的有效策略。

3.1優(yōu)化內(nèi)存分配策略

在程序開(kāi)發(fā)中，合理使用malloc()和free()函數(shù)是避免內(nèi)存泄漏和浪費(fèi)的關(guān)鍵。比如，在申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)，要準(zhǔn)確計(jì)算所需內(nèi)存大小，避免申請(qǐng)過(guò)多內(nèi)存造成浪費(fèi)。以一個(gè)簡(jiǎn)單的字符串處理程序?yàn)槔绻鎯?chǔ)一個(gè)長(zhǎng)度為n的字符串，應(yīng)該這樣申請(qǐng)內(nèi)存：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main() {
    int n = 10; // 假設(shè)字符串長(zhǎng)度為10
    char *str = (char *)malloc((n + 1) * sizeof(char)); // 多申請(qǐng)一個(gè)字節(jié)用于存儲(chǔ)字符串結(jié)束符'\0'
    if (str == NULL) {
        perror("malloc failed");
        return 1;
    }
    strcpy(str, "example");
    // 使用字符串
    printf("String: %s\n", str);
    free(str); // 使用完后釋放內(nèi)存
    str = NULL; // 將指針置為NULL，防止野指針
    return 0;
}

在這個(gè)例子中，我們先使用malloc函數(shù)申請(qǐng)了足夠的內(nèi)存空間來(lái)存儲(chǔ)字符串及其結(jié)束符，并且在使用完后及時(shí)調(diào)用free函數(shù)釋放內(nèi)存，并將指針置為NULL，這樣可以有效避免內(nèi)存泄漏。

除了正確使用malloc()和free()函數(shù)，還可以借助一些內(nèi)存管理工具來(lái)優(yōu)化內(nèi)存分配。比如memon工具，它可以實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)程的內(nèi)存使用情況，幫助我們發(fā)現(xiàn)內(nèi)存使用異常的地方。memon工具提供了詳細(xì)的內(nèi)存使用統(tǒng)計(jì)信息，包括內(nèi)存分配次數(shù)、釋放次數(shù)、當(dāng)前內(nèi)存使用量等。通過(guò)這些信息，我們可以深入了解程序的內(nèi)存使用模式，找出可能存在的內(nèi)存浪費(fèi)或泄漏點(diǎn)。例如，我們可以通過(guò)memon觀察到某個(gè)函數(shù)中頻繁地進(jìn)行小內(nèi)存塊的分配和釋放，這可能導(dǎo)致內(nèi)存碎片的產(chǎn)生，進(jìn)而影響程序性能，此時(shí)就可以考慮優(yōu)化內(nèi)存分配策略，如使用內(nèi)存池技術(shù)來(lái)減少內(nèi)存分配次數(shù)。

slabtop工具則用于監(jiān)控內(nèi)核的slab緩存，slab緩存是內(nèi)核用于管理小對(duì)象的內(nèi)存分配機(jī)制，通過(guò)slabtop可以查看各個(gè)slab緩存的使用情況，包括對(duì)象數(shù)量、緩存大小等 。如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)slab緩存的對(duì)象數(shù)量過(guò)多或緩存大小不合理，可以進(jìn)一步分析原因并進(jìn)行優(yōu)化。比如，如果某個(gè)slab緩存中對(duì)象的創(chuàng)建和銷(xiāo)毀非常頻繁，可能需要調(diào)整緩存的大小或優(yōu)化對(duì)象的生命周期管理，以提高內(nèi)存使用效率。例如，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器程序中，通過(guò)slabtop發(fā)現(xiàn)socket相關(guān)的slab緩存占用了大量?jī)?nèi)存，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)是由于短連接的頻繁創(chuàng)建和銷(xiāo)毀導(dǎo)致的，通過(guò)優(yōu)化連接管理策略，減少了不必要的短連接，從而降低了slab緩存的內(nèi)存占用。

3.2巧用交換空間

交換空間（Swap Space）是磁盤(pán)上的一塊區(qū)域，當(dāng)物理內(nèi)存不足時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將內(nèi)存中不常用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到交換空間中，從而釋放物理內(nèi)存供其他程序使用 。交換空間就像是一個(gè)臨時(shí)的內(nèi)存?zhèn)}庫(kù)，在物理內(nèi)存緊張時(shí)發(fā)揮作用。

設(shè)置交換空間的方法有兩種，一種是使用分區(qū)，另一種是使用文件。以使用文件設(shè)置交換空間為例，首先使用dd命令創(chuàng)建一個(gè)指定大小的文件，比如創(chuàng)建一個(gè) 2GB 的交換文件：

sudo dd if=/dev/zero of=/swapfile bs=1G count=2

這里if=/dev/zero表示從/dev/zero設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，/dev/zero是一個(gè)特殊文件，它會(huì)不斷輸出空字符（\0）；of=/swapfile表示將數(shù)據(jù)輸出到/swapfile文件中；bs=1G表示每次讀寫(xiě)的塊大小為 1GB；count=2表示讀取 2 次，即創(chuàng)建一個(gè) 2GB 大小的文件。

創(chuàng)建好文件后，需要將其格式化為交換文件：

sudo mkswap /swapfile

然后啟用交換文件：

sudo swapon /swapfile

為了使交換文件在系統(tǒng)重啟后仍然生效，還需要將其添加到/etc/fstab文件中，在/etc/fstab文件中添加一行：

/swapfile swap swap defaults 0 0

交換空間的大小并非越大越好，需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。如果交換空間設(shè)置過(guò)小，當(dāng)物理內(nèi)存不足時(shí)，系統(tǒng)可能無(wú)法及時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到交換空間，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)存耗盡，出現(xiàn)卡頓甚至崩潰；而如果交換空間設(shè)置過(guò)大，會(huì)占用過(guò)多的磁盤(pán)空間，并且在使用交換空間時(shí)，由于磁盤(pán)讀寫(xiě)速度遠(yuǎn)低于內(nèi)存讀寫(xiě)速度，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降 。一般來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)物理內(nèi)存的大小來(lái)初步確定交換空間的大小。對(duì)于物理內(nèi)存較小（如小于 2GB）的系統(tǒng)，交換空間可以設(shè)置為物理內(nèi)存的 2 倍左右；對(duì)于物理內(nèi)存較大（如大于 8GB）的系統(tǒng)，交換空間可以設(shè)置為 2GB - 4GB 。

但這只是一個(gè)參考值，實(shí)際設(shè)置時(shí)還需要結(jié)合系統(tǒng)的負(fù)載情況、應(yīng)用程序的內(nèi)存使用特點(diǎn)等因素進(jìn)行調(diào)整。例如，對(duì)于一個(gè)運(yùn)行著數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的系統(tǒng)，由于數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)內(nèi)存的讀寫(xiě)性能要求較高，應(yīng)盡量減少對(duì)交換空間的依賴(lài)，此時(shí)交換空間可以設(shè)置得相對(duì)較小；而對(duì)于一個(gè)桌面系統(tǒng)，在物理內(nèi)存不足時(shí)，可以適當(dāng)增大交換空間來(lái)保證系統(tǒng)的基本運(yùn)行。

3.3調(diào)整關(guān)鍵內(nèi)核參數(shù)

Linux 內(nèi)核提供了一些參數(shù)，可以用于調(diào)整系統(tǒng)的內(nèi)存管理策略。通過(guò)適當(dāng)調(diào)整這些參數(shù)，可以改變系統(tǒng)的內(nèi)存分配行為，從而提高系統(tǒng)的性能 。

vm.swappiness參數(shù)控制了內(nèi)核對(duì)于交換空間與物理內(nèi)存的使用程度，其取值范圍是 0 - 100 。0 表示盡可能少使用交換空間，即只有在物理內(nèi)存完全耗盡時(shí)才會(huì)使用交換空間；100 表示盡可能多地使用交換空間 。對(duì)于內(nèi)存較小的系統(tǒng)，可以將vm.swappiness的值調(diào)低，比如設(shè)置為 10，以減少對(duì)交換空間的使用，提升系統(tǒng)性能 。可以通過(guò)修改/etc/sysctl.conf文件來(lái)設(shè)置vm.swappiness參數(shù)，在文件中添加或修改一行：

vm.swappiness = 10

然后執(zhí)行sudo sysctl -p使設(shè)置生效。

vm.dirty_ratio表示內(nèi)存中臟數(shù)據(jù)的比例上限，當(dāng)達(dá)到這個(gè)比例時(shí)系統(tǒng)將啟動(dòng)寫(xiě)入磁盤(pán)的操作 。臟數(shù)據(jù)是指已經(jīng)被修改但還未寫(xiě)入磁盤(pán)的數(shù)據(jù)。vm.dirty_background_ratio表示后臺(tái)寫(xiě)入的臟數(shù)據(jù)比例上限 。當(dāng)臟數(shù)據(jù)達(dá)到vm.dirty_background_ratio時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在后臺(tái)啟動(dòng)線程將臟數(shù)據(jù)寫(xiě)入磁盤(pán)，而當(dāng)臟數(shù)據(jù)達(dá)到vm.dirty_ratio時(shí)，系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)阻塞應(yīng)用程序的寫(xiě)操作，直到臟數(shù)據(jù)被寫(xiě)入磁盤(pán) 。合理調(diào)整這兩個(gè)參數(shù)可以平衡系統(tǒng)的性能與數(shù)據(jù)保護(hù)的需求。

例如，對(duì)于一個(gè) I/O 負(fù)載較高的系統(tǒng)，可以適當(dāng)降低vm.dirty_ratio和vm.dirty_background_ratio的值，比如將vm.dirty_ratio設(shè)置為 30，vm.dirty_background_ratio設(shè)置為 10，這樣可以減少臟數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的積累，避免 I/O 操作過(guò)于集中，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同樣，在/etc/sysctl.conf文件中添加或修改這兩個(gè)參數(shù)的值：

vm.dirty_ratio = 30
vm.dirty_background_ratio = 10

然后執(zhí)行sudo sysctl -p使設(shè)置生效。

3.4清理緩存與臨時(shí)文件

在 Linux 系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，內(nèi)存緩存會(huì)占用一定的內(nèi)存空間，臨時(shí)文件也會(huì)占用磁盤(pán)空間，定期清理這些緩存和臨時(shí)文件可以釋放資源，提高系統(tǒng)性能。

清理內(nèi)存緩存可以使用以下命令：

sudo sync
sudo echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches

sync命令用于將緩存中的數(shù)據(jù)同步到磁盤(pán)，確保數(shù)據(jù)的完整性 。echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches表示清理內(nèi)存緩存，其中3表示清理 pagecache、dentries 和 inodes 。pagecache 是文件系統(tǒng)的頁(yè)面緩存，用于加速文件的讀寫(xiě)操作；dentries 是目錄項(xiàng)緩存，用于緩存目錄的元數(shù)據(jù)；inodes 是索引節(jié)點(diǎn)緩存，用于緩存文件的元數(shù)據(jù) 。通過(guò)清理這些緩存，可以釋放內(nèi)存空間，讓系統(tǒng)有更多的內(nèi)存可供其他程序使用。

臨時(shí)文件通常存放在/tmp目錄下，定期清理/tmp目錄下的臨時(shí)文件可以釋放磁盤(pán)空間 。可以使用以下命令清理/tmp目錄下超過(guò) 7 天的文件：

sudo find /tmp -type f -mtime +7 -exec rm -f {} \;

這里find /tmp -type f -mtime +7表示在/tmp目錄下查找類(lèi)型為文件且修改時(shí)間超過(guò) 7 天的文件，-exec rm -f {} \;表示對(duì)找到的文件執(zhí)行刪除操作 。此外，還可以定期清理系統(tǒng)日志文件，日志文件通常存放在/var/log目錄下，隨著時(shí)間的推移，日志文件會(huì)不斷增大，占用大量磁盤(pán)空間 。可以根據(jù)實(shí)際情況，定期刪除一些舊的日志文件，或者對(duì)日志文件進(jìn)行壓縮歸檔 。例如，對(duì)于/var/log/syslog文件，可以每個(gè)月進(jìn)行一次壓縮歸檔，命令如下：

sudo mv /var/log/syslog /var/log/syslog.`date +%Y%m`
sudo gzip /var/log/syslog.`date +%Y%m`
sudo touch /var/log/syslog
sudo chown syslog:adm /var/log/syslog
sudo chmod 640 /var/log/syslog

這樣就將當(dāng)前的syslog文件重命名為帶有年月的文件，并進(jìn)行壓縮，然后創(chuàng)建一個(gè)新的syslog文件，保證系統(tǒng)日志的正常記錄。

3.5優(yōu)化應(yīng)用程序內(nèi)存使用

應(yīng)用程序的內(nèi)存使用情況對(duì)服務(wù)器性能有著重要影響，我們可以借助一些工具來(lái)分析和優(yōu)化應(yīng)用程序的內(nèi)存使用。

valgrind是一個(gè)功能強(qiáng)大的內(nèi)存分析工具，主要用于內(nèi)存泄漏檢測(cè)、內(nèi)存訪問(wèn)錯(cuò)誤和性能分析 。它包含多個(gè)工具，如Memcheck用于檢測(cè)內(nèi)存錯(cuò)誤，如內(nèi)存泄漏、非法內(nèi)存訪問(wèn)等；Callgrind用于收集程序運(yùn)行時(shí)的函數(shù)調(diào)用信息，幫助進(jìn)行性能分析 。以檢測(cè)內(nèi)存泄漏為例，使用valgrind的Memcheck工具來(lái)檢測(cè)一個(gè)簡(jiǎn)單的 C 程序的內(nèi)存泄漏：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *ptr = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
    if (ptr == NULL) {
        perror("malloc failed");
        return 1;
    }
    // 這里忘記釋放ptr指向的內(nèi)存
    return 0;
}

編譯該程序：

gcc -g -o test test.c

然后使用valgrind檢測(cè)：

valgrind --tool=memcheck./test

valgrind會(huì)輸出詳細(xì)的內(nèi)存錯(cuò)誤信息，包括內(nèi)存泄漏的位置和大小等，通過(guò)這些信息我們可以定位并修復(fù)內(nèi)存泄漏問(wèn)題 。在上述例子中，valgrind會(huì)提示ptr指向的內(nèi)存未被釋放，我們可以在程序結(jié)束前添加free(ptr);來(lái)釋放內(nèi)存。

perf是 Linux 系統(tǒng)自帶的性能分析工具，它可以用于分析應(yīng)用程序的性能瓶頸，包括內(nèi)存使用方面的問(wèn)題 。通過(guò)perf可以查看應(yīng)用程序中各個(gè)函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間、CPU 占用率以及內(nèi)存訪問(wèn)情況等 。例如，使用perf來(lái)分析一個(gè)程序的內(nèi)存訪問(wèn)情況：

perf record -g -e mem:all_loads,mem:all_stores -a -o perf.data

這里-g表示記錄調(diào)用關(guān)系，-e mem:all_loads,mem:all_stores表示記錄所有的內(nèi)存加載和存儲(chǔ)事件，-a表示針對(duì)所有 CPU，-o perf.data表示將結(jié)果輸出到perf.data文件中 。然后使用perf report命令來(lái)查看分析結(jié)果：

perf report -i perf.data

通過(guò)perf report的輸出，我們可以看到哪些函數(shù)的內(nèi)存訪問(wèn)次數(shù)較多，哪些內(nèi)存訪問(wèn)操作花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，從而有針對(duì)性地優(yōu)化應(yīng)用程序的內(nèi)存使用 。比如，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)函數(shù)中存在大量的不必要的內(nèi)存讀寫(xiě)操作，可以對(duì)該函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，減少內(nèi)存訪問(wèn)次數(shù)，提高程序的執(zhí)行效率。

Part4內(nèi)存調(diào)優(yōu)工具

面對(duì)內(nèi)存問(wèn)題的重重挑戰(zhàn)，一系列強(qiáng)大的內(nèi)存優(yōu)化調(diào)優(yōu)工具應(yīng)運(yùn)而生，它們就像訓(xùn)練有素的 “特種兵”，各自具備獨(dú)特的技能，能夠精準(zhǔn)地解決各種內(nèi)存難題。接下來(lái)，讓我們深入了解這些工具的神奇之處。

4.1 jstat：內(nèi)存數(shù)據(jù)的 “偵察兵”

jstat（Java Virtual Machine Statistics Monitoring Tool）是 JDK 自帶的命令行工具 ，堪稱(chēng)內(nèi)存數(shù)據(jù)的 “偵察兵”，主要用于監(jiān)控 JVM 運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息，包括類(lèi)加載、垃圾回收、堆內(nèi)存、編譯等方面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。它無(wú)需圖形界面，特別適合在服務(wù)端進(jìn)行性能監(jiān)控與調(diào)優(yōu)工作。

jstat 的使用方式非常簡(jiǎn)單，在命令行中輸入 “jstat [options] [interval] [count]” 即可。其中，“options” 是監(jiān)控選項(xiàng)，比如 “-gc” 用于輸出垃圾回收的相關(guān)信息，“-gcutil” 則以百分比形式展示垃圾回收的利用率；“vmid” 是 JVM 進(jìn)程 ID，可以通過(guò) jps 命令輕松獲取；“interval” 表示采樣間隔時(shí)間，單位為毫秒；“count” 是采樣次數(shù)，如果不設(shè)置，默認(rèn)會(huì)持續(xù)輸出。

舉個(gè)例子，當(dāng)我們想要監(jiān)控某個(gè) Java 程序（假設(shè)其進(jìn)程 ID 為 12345）的垃圾回收情況，每秒采樣一次，共采樣 5 次，就可以使用命令 “jstat -gcutil 12345 1000 5”。執(zhí)行后，會(huì)得到類(lèi)似如下的輸出：

S0    S1    E     O     M     CCS    YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT
0.00  50.07 5.38  85.30 95.80  80.50  200     10.205  3.50    13.70

這些數(shù)據(jù)分別代表：S0 和 S1 是幸存區(qū)的使用率；E 是 Eden 區(qū)的使用率；O 是老年代的使用率；M 是元空間的使用率；CCS 是壓縮類(lèi)空間的使用率；YGC 是年輕代垃圾回收的次數(shù)；YGCT 是年輕代垃圾回收的總耗時(shí)；FGC 是 Full GC 的次數(shù)；FGCT 是 Full GC 的總耗時(shí)；GCT 是垃圾回收的總耗時(shí)。通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)，我們可以了解到 Java 程序的內(nèi)存使用趨勢(shì)，判斷是否存在內(nèi)存泄漏或垃圾回收效率低下等問(wèn)題。比如，如果發(fā)現(xiàn)老年代（O）的使用率持續(xù)升高，接近容量上限，且 Full GC 頻繁發(fā)生，就可能存在內(nèi)存泄漏，需要進(jìn)一步排查。

4.2 jmap：內(nèi)存鏡像的 “雕刻師”

jmap（Java Memory Map）是一個(gè)可以深入了解 Java 進(jìn)程內(nèi)存使用情況的工具，它如同一位 “雕刻師”，能夠生成內(nèi)存快照，幫助我們分析內(nèi)存泄漏和對(duì)象分布。其功能十分強(qiáng)大，可以輸出所有內(nèi)存中對(duì)象的詳細(xì)信息，甚至能將 VM 中的 heap 以二進(jìn)制形式輸出成文本。

在排查 Java 程序內(nèi)存泄漏問(wèn)題時(shí)，jmap 發(fā)揮著重要作用。假設(shè)我們懷疑某個(gè) Java 進(jìn)程（進(jìn)程 ID 為 3024）存在內(nèi)存泄漏，首先可以使用 “jmap -histo 3024” 命令，它會(huì)打印出該進(jìn)程內(nèi)存內(nèi)所有對(duì)象的情況，包括產(chǎn)生了哪些對(duì)象及其數(shù)量。如果想將這些信息保存到文件中以便后續(xù)分析，在 SHELL 中可采用 “jmap -histo 3024 > a.log” 的方式。

若要更深入地分析，還可以使用 “jmap -dump:format=b,file=outfile 3024” 命令，將 3024 進(jìn)程的內(nèi)存 heap 輸出到 outfile 文件里。這個(gè)文件就像是內(nèi)存的一個(gè) “快照”，記錄了特定時(shí)刻內(nèi)存中對(duì)象的狀態(tài)和分布。之后，我們可以配合強(qiáng)大的內(nèi)存分析工具 MAT（Memory Analyzer Tool）對(duì)這個(gè)快照文件進(jìn)行深入剖析，找出內(nèi)存泄漏的根源。

另外，使用 “jmap -heap 3024” 命令，能夠查看進(jìn)程堆內(nèi)存的使用情況，包括所使用的 GC 算法、堆配置參數(shù)以及各代中堆內(nèi)存的使用情況。例如，通過(guò)分析這些信息，我們可以判斷堆內(nèi)存的分配是否合理，是否需要調(diào)整堆的大小或 GC 策略來(lái)優(yōu)化內(nèi)存使用 。

4.3 VisualVM：可視化監(jiān)控 “大師”

VisualVM 是一款功能強(qiáng)大的可視化監(jiān)控工具，它為開(kāi)發(fā)者提供了直觀的界面，就像一位 “可視化監(jiān)控大師”，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控 Java 應(yīng)用程序的內(nèi)存、CPU、線程等關(guān)鍵指標(biāo)，幫助我們?nèi)媪私鈶?yīng)用程序的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而優(yōu)化 Java 應(yīng)用性能。

在使用 VisualVM 優(yōu)化 Java 應(yīng)用性能時(shí)，其操作簡(jiǎn)單便捷。當(dāng)我們啟動(dòng) Java VisualVM 后，會(huì)在界面左側(cè)看到運(yùn)行中的 Java 進(jìn)程列表。點(diǎn)擊想要分析的應(yīng)用程序，右鍵選擇 “監(jiān)控”，即可進(jìn)入監(jiān)控界面。在這里，我們能清晰地看到各種指標(biāo)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和變化趨勢(shì)。

比如，在 CPU 性能監(jiān)控方面，它會(huì)以圖表的形式展示程序在運(yùn)行時(shí)的 CPU 使用率，讓我們直觀地了解到程序?qū)?CPU 資源的占用情況。通過(guò)觀察 CPU 使用率的峰值和持續(xù)時(shí)間，我們可以判斷程序中是否存在某些高計(jì)算量的代碼塊，從而針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化。

在內(nèi)存使用情況監(jiān)控上，VisualVM 同樣以直觀的圖表呈現(xiàn)程序使用的內(nèi)存量，包括堆內(nèi)存和非堆內(nèi)存的使用情況。如果發(fā)現(xiàn)內(nèi)存使用量持續(xù)上升且沒(méi)有明顯的回落，可能意味著存在內(nèi)存泄漏問(wèn)題。此時(shí)，我們可以利用 VisualVM 的 “Heap Dump” 功能生成堆轉(zhuǎn)儲(chǔ)文件，進(jìn)一步分析對(duì)象的引用鏈，找出導(dǎo)致內(nèi)存泄漏的對(duì)象。

此外，VisualVM 還支持安裝各種插件，以擴(kuò)展其功能。例如，安裝 GC 監(jiān)控插件后，可以更詳細(xì)地了解垃圾回收的過(guò)程和性能指標(biāo)；安裝線程分析插件，則能深入分析線程的狀態(tài)和活動(dòng)，排查線程死鎖等問(wèn)題。通過(guò)這些豐富的功能和插件支持，VisualVM 成為了 Java 開(kāi)發(fā)者優(yōu)化應(yīng)用性能的得力助手。

4.4 MAT：內(nèi)存分析的 “福爾摩斯”

MAT（Memory Analyzer Tool）是一款專(zhuān)門(mén)用于深入分析 Java 堆內(nèi)存的工具，它就像一位敏銳的 “福爾摩斯”，能夠?qū)?nèi)存快照進(jìn)行細(xì)致入微的分析，幫助我們找出內(nèi)存泄漏的原因和大對(duì)象，解決復(fù)雜的內(nèi)存問(wèn)題。

當(dāng)面對(duì)復(fù)雜的內(nèi)存問(wèn)題時(shí)，MAT 的強(qiáng)大分析能力就得以充分展現(xiàn)。假設(shè)我們已經(jīng)使用 jmap 工具生成了堆轉(zhuǎn)儲(chǔ)文件（例如 heapdump.hprof），接下來(lái)就可以使用 MAT 打開(kāi)這個(gè)文件進(jìn)行分析。

MAT 提供了多種分析功能和工具。其中，“Leak Suspects Report” 是一個(gè)非常實(shí)用的功能，它會(huì)自動(dòng)分析堆轉(zhuǎn)儲(chǔ)文件，生成報(bào)告，幫助我們快速識(shí)別可能的內(nèi)存泄漏源。報(bào)告中會(huì)列出疑似內(nèi)存泄漏的對(duì)象，并給出相關(guān)的分析和建議。

在分析內(nèi)存快照時(shí)，MAT 還能展示對(duì)象之間的引用關(guān)系，讓我們清晰地看到哪些對(duì)象被哪些其他對(duì)象所引用，從而找出長(zhǎng)生命周期對(duì)象持有短生命周期對(duì)象引用的情況，這往往是導(dǎo)致內(nèi)存泄漏的常見(jiàn)原因之一。同時(shí)，通過(guò)查看對(duì)象的 Retained Heap（保留堆）大小，我們可以確定哪些對(duì)象占用了大量?jī)?nèi)存，進(jìn)而對(duì)這些大對(duì)象進(jìn)行深入分析，判斷它們是否合理存在，是否需要進(jìn)行優(yōu)化或清理。

另外，MAT 還支持使用 OQL（Object Query Language）進(jìn)行自定義查詢(xún)，這為我們深入分析內(nèi)存數(shù)據(jù)提供了更大的靈活性。例如，我們可以通過(guò) OQL 查詢(xún)特定類(lèi)型的對(duì)象、按照對(duì)象的屬性進(jìn)行篩選等，以便更精準(zhǔn)地定位內(nèi)存問(wèn)題 。