为什么手工drop_caches之后cache值并未减少?

在Linux系统上查看内存使用状况最常用的命令是"free"，其中buffers和cache通常被认为是可以回收的：

$ free total used free shared buffers cachedMem: 32764716 1067548 31697168 158332 12 593096-/+ buffers/cache: 474440 32290276Swap: 2103292 0 2103292

当内存紧张的时候，有一个常用的手段就是使用下面的命令来手工回收cache：

$ echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches

注：drop_caches接受以下三种值：

• To free pagecache:

echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches

• To free reclaimable slab objects (includes dentries and inodes):

echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches

• To free slab objects and pagecache:

echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches

当我们考虑有多少cache可供回收的时候，首先要知道的是：不同版本的"free"命令计算cache值的算法不同，据不完全统计举例如下：

1. 版本：procps-3.2.8-36
2. cache值等于/proc/meminfo中的"Cached"；
3. 版本：procps-3.3.9-10.1
4. cache值等于/proc/meminfo的 [Cached + SReclaimable]；
5. 版本：procps-ng-3.3.10-3
6. cache值等于/proc/meminfo的 [Cached + Slab]。

注：

/proc/meminfo中的"Cached"表示page cache所占用的内存大小；

"Slab"表示内核Slab所占用的内存大小，slab有的可回收有的不可回收，其中可回收的通过"SReclaimable"表示，不可回收的通过"SUnreclaim"表示。

所以，对上述第2、3版本的"free"命令，"echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches"对其中的SReclaimable或Slab部分是不起作用的。

即便仅考虑page cache (对应于 /proc/meminfo 的"Cached")，也并不是所有的页面都可以回收的：

首先，drop_caches只回收clean pages，不回收dirty pages，参见

https://www.kernel.org/doc/Documentation/sysctl/vm.txt

所以如果想回收更多的cache，应该在drop_caches之前先执行"sync"命令，把dirty pages变成clean pages。

其次，即使提前执行了sync命令，drop_cache操作也不可能把cache值降到0，甚至有时候cache值几乎没有下降，这是为什么呢？因为page cache中包含的tmpfs和共享内存是不能通过drop_caches回收的。

Page cache用于缓存文件里的数据，不仅包括普通的磁盘文件，还包括了tmpfs文件，tmpfs文件系统是将一部分内存空间模拟成文件系统，由于背后并没有对应着磁盘，无法进行paging(换页)，只能进行swapping(交换)，在执行drop_cache操作的时候tmpfs对应的page cache并不会回收。

我们通过实验来观察tmpfs文件对free命令的影响：

挂载一个3G大小的tmpfs：
$ mount -t tmpfs -o size=3G none /mytmpfs/
此时free命令看到的内存使用状况：
$ free
 total used free shared buffers cached
Mem: 65942736 2343336 63599400 9492 8952 92848
-/+ buffers/cache: 2241536 63701200 
Swap: 33038332 0 33038332 
在tmpfs上新建一个2G大小的文件，free命令看到"cached"增加了2GB，注意"shared"也增加了2GB：
$ dd if=/dev/zero of=/mytmpfs/testfile bs=1G count=2
2+0 records in
2+0 records out
2147483648 bytes (2.1 GB) copied, 2.42736 s, 885 MB/s
$ free
 total used free shared buffers cached
Mem: 65942736 4423404 61519332 2106644 9088 2190064
-/+ buffers/cache: 2224252 63718484 
Swap: 33038332 0 33038332 
执行drop_caches，再观察free命令的"cached"值，发现刚才增加的2GB并未被回收：
$ sync
$ sudo sh -c 'echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches'
$ free
 total used free shared buffers cached
Mem: 65942736 4430388 61512348 2106644 5284 2183096
-/+ buffers/cache: 2242008 63700728 
Swap: 33038332 0 33038332 
最后删除tmpfs上的文件，free命令看到"Cached"和"Shared"同时减少2GB：
$ rm /mytmpfs/testfile
$ free
 total used free shared buffers cached
Mem: 65942736 2324096 63618640 9784 6228 87412
-/+ buffers/cache: 2230456 63712280 
Swap: 33038332 0 33038332 

结论：

tmpfs占用的page cache是不能通过drop_caches操作回收的，tmpfs占用的page cache同时也算进了"shared"中，也就是说，被视为共享内存。

inux kernel利用tmpfs实现共享内存（shared memory），参见：

https://www.kernel.org/doc/Documentation/filesystems/tmpfs.txt

所以共享内存也和tmpfs一样，属于page cache，但又不能被drop_caches回收。这里所说的共享内存包括：

• SysV shared memory
• 是通过shmget申请的共享内存，用"ipcs -m"或"cat /proc/sysvipc/shm"查看；
• POSIX shared memory
• 是通过shm_open申请的共享内存，用"ls /dev/shm"查看；
• shared anonymous mmap
• 通过mmap(…MAP_ANONYMOUS|MAP_SHARED…)申请的内存，可以用"pmap -x"或者"cat /proc/<PID>/maps"查看；
• 注：mmap调用参数如果不是MAP_ANONYMOUS|MAP_SHARED，则不属于tmpfs，比如MAP_ANONYMOUS|MAP_PRIVATE根本不属于page cache而是属于AnonPages，MAP_SHARED属于普通文件，对应的page cache可以回写硬盘并回收。

我们通过一个实验来观察共享内存对free命令的影响。以下程序通过shared anonymous mmap方式申请256MB大小的内存：

#include <sys/mman.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#define MAP_SIZE 268435456int main(){ char *addr; ssize_t s; addr = mmap(NULL, MAP_SIZE, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_ANONYMOUS|MAP_SHARED, -1, 0); if (addr == MAP_FAILED) { fprintf(stderr, "mmap failed\n"); exit(EXIT_FAILURE); } memset(addr, 9, MAP_SIZE); printf("mmap done, memset done, check free output. Press any key to exit...\n"); getchar(); exit(EXIT_SUCCESS);}

实验过程如下：

先回收cache，设置初始状态：$ sync; sudo sh -c 'echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches'; free total used free shared buffers cachedMem: 65942736 2401684 63541052 9576 3648 54820-/+ buffers/cache: 2343216 63599520 Swap: 33038332 0 33038332 然后执行我们的测试程序，申请256MB共享内存：$ ./mmap_testmmap done, memset done, check free output. Press any key to exit...在另一个窗口里观察，看到cache值增加了256MB，注意"shared"也同时增加了256MB：$ free total used free shared buffers cachedMem: 65942736 2652796 63289940 271720 6380 321760-/+ buffers/cache: 2324656 63618080 Swap: 33038332 0 33038332 执行drop_caches，发现刚才新增的256MBcache值并未被回收：$ sync; sudo sh -c 'echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches'; free total used free shared buffers cachedMem: 65942736 2666452 63276284 271720 3628 316532-/+ buffers/cache: 2346292 63596444 Swap: 33038332 0 33038332 退出mmap_test程序，再看cache值就减少了256MB，注意"shared"也同时减少256MB：$ free total used free shared buffers cachedMem: 65942736 2400268 63542468 9576 4796 59148-/+ buffers/cache: 2336324 63606412 Swap: 33038332 0 33038332

结论：cache值包含了共享内存的大小，然而drop_caches是不能回收它的。

总结：为什么drop_caches操作不能回收所有的page cache？

• dirty pages不能回收；
• 共享内存和tmpfs不能回收(注意观察free命令显示的shared值)；
• 不同版本的free命令有不同的计算cache值的方法，有的包含了slab或SReclaimable，"echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches"是不能回收slab的，"echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches"也只是回收slab中的SReclaimable部分。