Linux memfree 的计算逻辑

一.Linux 系统中的 memfree 表示系统中当前可用的物理内存大小，其计算逻辑主要在内核源码中实现。以下是关键代码逻辑和计算方法的分析。

MemFree 与 global_node_page_state(NR_FREE_PAGES) 的关系

在 Linux 内核中，MemFree 通常指系统当前可用的空闲内存量，而 global_node_page_state(NR_FREE_PAGES) 是内核中用于计算空闲页数的函数。两者确实存在直接关联，可以理解为 MemFree 的值主要由 global_node_page_state(NR_FREE_PAGES) 计算得出。

关键点说明

1. global_node_page_state 的作用
   该函数统计所有 NUMA 节点的空闲页数总和，返回全局空闲页数。它是内核内存管理的核心接口之一。

2. MemFree 的局限性
   MemFree 仅包含完全未使用的内存，不包含缓存（如 Buffers/Cached）或可回收内存（如 Slab）。实际可用内存可能需要结合其他指标（如 MemAvailable）。

3. 与 /proc/meminfo 的关系
   /proc/meminfo 中的 MemFree 字段直接来源于上述计算，用户空间工具（如 free 命令）会读取该文件显示空闲内存。

二.memfree 与 nr_free_pages 的关系

memfree 是通过 global_node_page_state(NR_FREE_PAGES) 计算得到的，而 /proc/zoneinfo 中的 nr_free_pages 是每个内存区域（zone）的统计值。两者本质上是等价的，但统计范围和层级不同。

global_node_page_state(NR_FREE_PAGES) 是汇总所有节点（node）和所有区域（zone）的空闲页面，而 /proc/zoneinfo 中的 nr_free_pages 是按区域细分的统计值。

关键区别

统计范围

• global_node_page_state(NR_FREE_PAGES)：全局统计，包含所有节点和区域。
• /proc/zoneinfo 中的 nr_free_pages：按区域统计，每个区域的空闲页面单独列出。

数据来源

• NR_FREE_PAGES 是内核中的一个全局计数器，通过 vm_stat[] 数组维护。
• /proc/zoneinfo 直接从每个区域的 struct zone 中读取 nr_free_pages 字段。

验证方法

如果需要验证两者的等价性，可以通过以下方式：

1. 将 /proc/zoneinfo 中所有区域的 nr_free_pages 相加，结果应与 global_node_page_state(NR_FREE_PAGES) 一致。
2. 使用 grep "nr_free_pages" /proc/zoneinfo 查看各区域的空闲页面，再与 free 命令或 /proc/meminfo 中的 MemFree 对比。

代码层面的联系

在内核源码中，global_node_page_state(NR_FREE_PAGES) 最终会调用 vm_stat[NR_FREE_PAGES]，而 /proc/zoneinfo 中的 nr_free_pages 来自 zone->nr_free。两者的数据源头是统一的，只是聚合方式不同。

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相关内核代码

memfree 的计算通常在内核的 mm/vmstat.c 或 fs/proc/meminfo.c 中实现。以下是 fs/proc/meminfo.c 中的关键代码片段：

static int meminfo_proc_show(struct seq_file *m, void *v)
{struct sysinfo i;unsigned long committed;long cached;long available;si_meminfo(&i); // 获取系统内存信息cached = global_node_page_state(NR_FILE_PAGES) - total_swapcache_pages();available = si_mem_available(); // 计算可用内存committed = percpu_counter_read_positive(&vm_committed_as);seq_printf(m, "MemTotal:       %8lu kB\n", i.totalram << (PAGE_SHIFT - 10));seq_printf(m, "MemFree:        %8lu kB\n", i.freeram << (PAGE_SHIFT - 10));seq_printf(m, "MemAvailable:   %8lu kB\n", available << (PAGE_SHIFT - 10));// 其他内存信息输出...
}

关键计算步骤

1. 调用 si_meminfo 获取基础内存信息
   si_meminfo 函数从内核的全局变量中读取内存统计信息，包括总内存 (totalram)、空闲内存 (freeram)、缓冲区内存 (bufferram) 等。freeram 直接来自 struct sysinfo，表示未使用的物理内存。

2. 空闲内存 (freeram) 的来源
   空闲内存 (freeram) 的值来自内核的全局变量 totalram_pages - total_used_pages，其中：

   • totalram_pages 是系统总物理内存页数。
   • total_used_pages 包括已分配的页面、缓存、缓冲区等。

3. 单位转换
   在输出到 /proc/meminfo 时，空闲内存 (freeram) 的值会从页数转换为 KB：

   i.freeram << (PAGE_SHIFT - 10)
   
   

   • PAGE_SHIFT 是页大小的位移数（通常为 12，表示 4KB 页）。
   • PAGE_SHIFT - 10 将页数转换为 KB（因为 2^12 = 4096，而 2^10 = 1024）。

更详细的计算逻辑

空闲内存 (MemFree) 不包括缓存和缓冲区，但可以通过 si_mem_available() 计算更精确的“可用内存” (MemAvailable)，该函数会考虑缓存的可回收部分。以下是 si_mem_available() 的简化逻辑：

unsigned long si_mem_available(void)
{long available = global_zone_page_state(NR_FREE_PAGES); // 空闲页available += global_node_page_state(NR_FILE_PAGES) - total_swapcache_pages(); // 可回收缓存available += vm_node_stat[NR_SLAB_RECLAIMABLE]; // 可回收 Slabreturn available;
}

总结

• MemFree 直接来自内核的 freeram，表示完全未使用的物理内存。
• 计算逻辑集中在 fs/proc/meminfo.c 和 mm/vmstat.c 中。
• 单位转换通过位移操作完成，将页数转换为 KB。
• MemAvailable 是更全面的指标，包括可回收的缓存和 Slab 内存。

启动应用时分配 Pages 的考量

启动应用时所需分配的 Pages 数量取决于应用的内存需求和系统当前的内存状态。关键因素包括：

• 应用的工作集大小（常驻内存部分）
• 动态内存需求（如堆、栈、文件映射等）
• 系统内存压力（通过/proc/zoneinfo等指标判断）

典型情况下：

• 轻量级应用可能需要几十MB（约数千个4KB pages）
• 大型应用可能消耗数百MB到GB级别内存

/proc/zoneinfo 与 nr_free_pages 的关系

当应用启动并分配内存时：

• nr_free_pages 会减少，反映系统可用物理内存的消耗
• 分配可能涉及多个内存域（DMA/DMA32/Normal）
• 内存回收机制（kswapd）可能在低水位时触发

监控示例：

# 查看各zone的剩余pages
cat /proc/zoneinfo | grep -E "Node|pages free"

高级调试工具

检查page分配失败日志：

dmesg | grep -i "out of memory"

实时监控page分配：

watch -n 1 "cat /proc/buddyinfo"

注意：实际分配行为受内核版本、内存碎片化和NUMA策略等多因素影响，需结合具体场景分析。