如何通过阅读源代码了解 vmstat 中的指标

vmstat -a 命令能看到 active memory 和 inactive memory，但是它们是什么意思呢？

$ vmstat -a 
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
 r  b   swpd   free  inact active   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 1  0 138096 319560 1372408 1757848    0    0     2     3    2    3  1  0 99  0  0

它们的含义在 manpage 中只给了简单的说明，并未详细解释：

inact: the amount of inactive memory. (-a option)
active: the amount of active memory. (-a option)

在此我们试图准确理解它的含义。通过阅读 vmstat 的源代码 (vmstat.c 和 proc/sysinfo.c)得知，vmstat 命令是直接从 /proc/meminfo 中获取的数据：

$ grep -i act /proc/meminfo
Active:          1767928 kB
Inactive:        1373760 kB

而/proc/meminfo 的数据是在以下内核函数中生成的：

fs/proc/meminfo.c:
==================
0023 static int meminfo_proc_show(struct seq_file *m, void *v)
0024 {
...
 
0032         unsigned long pages[NR_LRU_LISTS];
...
 
0051         for (lru = LRU_BASE; lru < NR_LRU_LISTS; lru++)
0052                 pages[lru] = global_page_state(NR_LRU_BASE + lru);
...
 
0095                 "Active:         %8lu kB/n"
0096                 "Inactive:       %8lu kB/n"
0097                 "Active(anon):   %8lu kB/n"
0098                 "Inactive(anon): %8lu kB/n"
0099                 "Active(file):   %8lu kB/n"
0100                 "Inactive(file): %8lu kB/n"
...
 
0148                 K(pages[LRU_ACTIVE_ANON]   + pages[LRU_ACTIVE_FILE]),
0149                 K(pages[LRU_INACTIVE_ANON] + pages[LRU_INACTIVE_FILE]),
0150                 K(pages[LRU_ACTIVE_ANON]),
0151                 K(pages[LRU_INACTIVE_ANON]),
0152                 K(pages[LRU_ACTIVE_FILE]),
0153                 K(pages[LRU_INACTIVE_FILE]),

这段代码的意思是统计所有的 LRU list，其中 Active Memory 等于 ACTIVE_ANON 与 ACTIVE_FILE 之和，Inactive Memory 等于 INACTIVE_ANON 与 INACTIVE_FILE 之和。

LRU list 是 Linux 内核的内存页面回收算法（Page Frame Reclaiming Algorithm）所使用的数据结构，LRU 是 Least Recently Used 的缩写词。这个算法的核心思想是：回收的页面应该是最近使用得最少的。

为了实现这个目标，最理想的情况是每个页面都有一个年龄项，用于记录最近一次访问页面的时间，可惜 x86 CPU 硬件并不支持这个特性，x86 CPU 只能做到在访问页面时设置一个标志位 Access Bit，无法记录时间。

所以 Linux 内核使用了一个折衷的方法：它采用了 LRU list 列表，把刚访问过的页面放在列首，越接近列尾的就是越长时间未访问过的页面，这样，虽然不能记录访问时间，但利用页面在 LRU list 中的相对位置也可以轻松找到年龄最长的页面。

Linux 内核设计了两种 LRU list: active list 和 inactive list, 刚访问过的页面放进 active list，长时间未访问过的页面放进 inactive list，这样从 inactive list 回收页面就变得简单了。内核线程 kswapd 会周期性地把 active list 中符合条件的页面移到 inactive list 中，这项转移工作是由 refill_inactive_zone() 完成的。这段代码的意思是统计所有的 LRU list，其中Active Memory 等于 ACTIVE_ANON 与 ACTIVE_FILE 之和，Inactive Memory 等于 INACTIVE_ANON 与 INACTIVE_FILE 之和。

LRU list 示意图

vmstat 看到的 active/inactive memory 就分别是 active list 和 inactive list 中的内存大小。如果 inactive list 很大，表明在必要时可以回收的页面很多；而如果 inactive list 很小，说明可以回收的页面不多。

Active/inactive memory 是针对用户进程所占用的内存而言的，内核占用的内存（包括 slab）不在其中。

至于在源代码中看到的 ACTIVE_ANON 和 ACTIVE_FILE，分别表示 anonymous pages 和 mapped pages。用户进程的内存页分为两种：与文件关联的内存（比如程序文件、数据文件所对应的内存页）和与文件无关的内存（比如进程的堆栈，用 malloc 申请的内存），前者称为 file pages 或 mapped pages，后者称为 anonymous pages。file pages 在发生换页(page-in 或 page-out)时，是从它对应的文件读入或写出；anonymous pages 在发生换页时，是对交换区进行读/写操作。