解读vmstat中的ACTIVE/INACTIVE MEMORY

vmstat 命令能够报告关于内核线程、虚拟内存、磁盘、陷阱和 CPU 活动的统计信息，那么我们又该如何理解其工作原理呢？
vmstat -a 命令能看到active memory 和 inactive memory：

$ 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

但它们的含义在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 kernel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 Kernel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 kernel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。

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。