理解 FreeBSD 記憶體報告與 ZFS ARC 快取

理解 FreeBSD 記憶體報告與 ZFS ARC 快取

FreeBSD 記憶體報告的差異

FreeBSD 的記憶體報告在不同系統監控工具之間常常顯得不一致，因為每個工具使用不同的啟發式方法來定義「已使用」與「可用」記憶體。這主要是由於作業系統管理其虛擬記憶體（VM）系統的方式，以及它如何利用 RAM 進行磁碟快取以最佳化效能。

在 FreeBSD 中，記憶體被分為多個頁佇列：

  • Active：目前正被使用者程式使用的頁面。
  • Inactive：一段時間未被存取的頁面；這些頁面可被回收，若系統需要更多記憶體時可以釋放。
  • Laundry：排隊等待寫入交換空間的頁面。
  • Wired：核心或被鎖定的程式使用的記憶體，無法換出。此類別也包含 ZFS 自適應取代快取（ARC）。
  • Free：純粹未使用的記憶體。

由於 Inactive 頁面和部分 Wired 記憶體（例如磁碟快取）可以被核心回收，工具必須決定是否將它們算作「已使用」或「空閒」。

ZFS ARC 在記憶體使用中的角色

ZFS 是大多數現代 FreeBSD 安裝的預設檔案系統，它使用自適應取代快取（ARC）將最近使用的資料存放在 RAM 中。與標準核心快取不同，ARC 繞過傳統的 VM 系統，並存放在「wired」記憶體類別內。

因為 ARC 設計上會在系統需要更多記憶體給應用程式時自動縮小，它實際上是可回收的。然而，如果監控工具僅僅將「active」與「wired」記憶體相加，ARC 快取會讓系統看起來使用了遠超過實際執行程序所需的 RAM。

若要精確追蹤 ARC 使用情況，管理員可以使用 sysctl 查詢特定的核心參數：

  • kstat.zfs.misc.arcstats.size：目前快取大小。
  • kstat.zfs.misc.arcstats.c_min：最小配置快取大小。
  • kstat.zfs.misc.arcstats.c_max：最大配置快取大小。

工具啟發式分析：btop、fastfetch 與 htop

不同工具使用不同的公式計算記憶體使用，導致在同一台機器上產生相互矛盾的報告。

btop

歷史上，btop 使用簡化的啟發式：used memory = active + wired。此方法在 FreeBSD 上常常不準確，因為它忽略了 ARC 快取的可回收性，也未考慮 Inactive 頁面。

fastfetch

fastfetch 採用較為寬鬆的空閒記憶體定義：free memory = free + inactive + cache。因此，used memory = total - free memory。這通常會提供較為樂觀的可用資源視圖。

htop

htop 通常會分別報告記憶體類別，但計算已使用記憶體的方式為：used memory = wired + active + laundry。

btop 記憶體報告的關鍵錯誤

對 btop 原始碼（src/freebsd/btop_collect.cpp）的研究揭示了兩個影響 FreeBSD 使用者的重大問題：

32 位元整數溢位

btop 將記憶體頁數存放在 u_int（無號 32 位元整數）中。當透過將頁數乘以頁面大小來計算總位元組時，任何超過 4GiB（4,294,967,296 位元組）的值都會發生環繞。例如，系統實際使用 4.42 GiB 記憶體時，可能只會被報告為 422 MiB，原因正是此整數溢位。

舊版快取報告

btop 嘗試從 vm.stats.vm.v_cache_count 取得快取資料。然而，自 FreeBSD 12.0 起，這個 sysctl 參數已成為「相容性虛設」項目，始終回傳 0。實際的快取佇列自 FreeBSD 6.3.0 起就已不存在。

實作正確的記憶體追蹤

為了解決這些差異，記憶體監控工具必須明確考慮 ZFS ARC 與 FreeBSD 緩衝快取（vfs.bufspace）。

修正後的已使用記憶體計算邏輯包括：

  1. 計算總快取：將 vfs.bufspace 與 ARC 快取的可變部分（目前大小減去最小大小）相加。
  2. 計算原始已使用：將 active 與 wired 記憶體相加。
  3. 計算實際已使用：從原始已使用記憶體中減去計算出的快取：usedBytes = (cachedBytes < rawUsed) ? rawUsed - cachedBytes : 0。

這些改進已作為 pull request 提交給 btop、fastfetch（將邏輯擴展至所有支援 ZFS 的系統，包括 Linux 與 NetBSD）以及 htop，以確保在 FreeBSD 生態系統中提供一致且精確的記憶體報告。

摘要： 深入探討為何 FreeBSD 記憶體使用報告在 btop、fastfetch 等工具間會有所差異，重點說明 ZFS 自適應取代快取（ARC）的角色以及報告工具中的整數溢位錯誤。

標題： 理解 FreeBSD 記憶體報告與 ZFS ARC 快取

Sources