はじめに
本記事では、freeコマンドの出力結果をざっくり説明したあと、各項目について実際に値が変化する様子を見たいと思います。
freeコマンドの記事を参照する方の中には、Linuxに慣れていない方もいらっしゃると思うので、説明だけでなく、コマンドをたたきながら理解出来るようにすることが本記事の目的です。
また、本記事のコマンド実行は、Dockerでubuntuの環境を作成して行っています。
freeコマンドで確認できること
とりあえず、freeコマンドの出力結果を見てみます。
1行目はヘッダーです。各列の数字が何を表すのかを示しているだけです。
2行目はメモリに関する各情報です。
3行目はスワップに関する各情報です。スワップはメモリが不足した際に、メモリの代わりとして使用されるストレージです。今回はスワップの説明はスコープ外とします。
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial# free
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 422476 4282336 423460 1384220 4972628
Swap: 2097148 0 2097148
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial#
それでは、freeコマンドでどのような情報が確認できるかを説明します。
- メモリの総量（total）
- total = used + free + buff/cache という関係になっている
- 使用中メモリの総量（used）
- カーネル、プロセス両方のメモリ使用量を含む
- キャッシュの解放をせずに、追加で利用可能なメモリの総量（free）
- キャッシュにも使用されていない純粋な空き容量
- キャッシュ（バッファキャッシュ + ページキャッシュ）の総量（buff/cache）
- カーネルの管理下だが、usedには含まれない
- 共有されているメモリの総量（shared）
- 追加で利用可能なメモリの総量（available）
- freeに加えて解放可能なキャッシュのメモリ量も含む
- メモリのfree < スワップのusedだとしても、スワップのused < メモリのavailableであれば、スワップの解放自体は可能
メモリ使用量を増やしてfreeコマンドの出力結果を確認する
配列を生成するシェルスクリプトを用いて、メモリ使用量が増えることをfreeコマンドで確認します。
シェルスクリプトは以下です。
#!/bin/bash
free
arr=()
for i in `seq 1 50000`
do
arr+=$i;
done
echo -e "\n配列を生成しました\n"
free
上記のスクリプトを実行すると、以下の出力が得られます。
配列を生成することで、ざっくり5MiBくらいusedが増え、freeが減っていることが分かります。
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial# ./memory_used_experiment.sh
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 424300 4150100 423460 1514632 4970800
Swap: 2097148 0 2097148
配列を生成しました
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 429696 4144696 423460 1514640 4965424
Swap: 2097148 0 2097148
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial#
また、スクリプト実行後にfreeコマンドを実行すると、以下の結果が得られ、配列生成前のメモリ使用量と同程度に戻っていることが分かります。
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial# free
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 424252 4150108 423460 1514672 4970868
Swap: 2097148 0 2097148
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial#
ファイルを作成してキャッシュの増加を確認する
ファイル（1GiB）を新規作成し、それがページキャッシュされることを確認します。
（バッファキャッシュとページキャッシュの総量のため、厳密にはページキャッシュされているかは分からない、厳密に確認するにはsarコマンドを使います。）
ファイルを新規作成する前に、freeコマンドを実行します。
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial# free
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 424652 4149604 423460 1514776 4970456
Swap: 2097148 0 2097148
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial#
新規作成後、もう一度freeコマンドを実行します。
1GiB程度のファイルが作成され、その分キャッシュ（buff/cache）が増えていることが分かります。
また、availableの値がほとんど変化していないことにも注目です。
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial# dd if=/dev/zero of=tmp_1g bs=1G count=1
1+0 records in
1+0 records out
1073741824 bytes (1.1 GB, 1.0 GiB) copied, 1.21998 s, 880 MB/s
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial# ll tmp_1g
-rw-r--r-- 1 root root 1073741824 Mar 19 10:52 tmp_1g
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial# free
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 427764 3067948 423460 2593320 4967372
Swap: 2097148 0 2097148
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial#
削除すると、キャッシュも解放されます。
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial# rm -f tmp_1g
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial# free
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 426852 4146248 423460 1515932 4968284
Swap: 2097148 0 2097148
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial#
free（純粋な空きメモリ容量）以上にメモリを使用して、キャッシュの解放を確認する
前準備として、ddコマンドでキャッシュを増やして、空きメモリ量を減らしておきます。
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial# free
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 419304 4521748 423460 1147980 4967180
Swap: 2097148 0 2097148
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial# dd if=/dev/urandom of=tmp_4g bs=1024 count=$((1024**2*4))
4194304+0 records in
4194304+0 records out
4294967296 bytes (4.3 GB, 4.0 GiB) copied, 55.6795 s, 77.1 MB/s
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial# ll tmp_4g
-rw-r--r-- 1 root root 4294967296 Mar 19 11:38 tmp_4g
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial# free
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 430868 201224 423460 5456940 4955112
Swap: 2097148 0 2097148
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial#
100MiBのファイルを作成し、freeコマンドを実行することを繰り返すことで、free（純粋な空きメモリ容量）が不足しているとき、キャッシュが解放されることを確認します。
使用するシェルスクリプトは以下です。
#!/bin/bash
free
for i in `seq 1 5`
do
dd if=/dev/urandom of=tmp_100m_$i bs=1024 count=$((1024*100))
echo -e "\n100MiBのファイルを作成しました\n"
free
done
上記のスクリプトを実行すると、以下の出力が得られます。
最初はfreeが200MiB程度であるため、100MiBのファイルを作成 → キャッシュという動きをします。
しかし、2回目以降はファイル作成前後で、ほとんどfreeの値が変化しません。
このことから、2回目以降はfreeが不足しているため、キャッシュを解放して、100MiBのファイルを作成 → キャッシュという動きをしていることがわかります。
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial# ./release_cache_experiment.sh
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 430956 201112 423460 5456964 4955024
Swap: 2097148 0 2097148
102400+0 records in
102400+0 records out
104857600 bytes (105 MB, 100 MiB) copied, 1.35139 s, 77.6 MB/s
100MiBのファイルを作成しました
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 431100 113260 423460 5544672 4954880
Swap: 2097148 0 2097148
102400+0 records in
102400+0 records out
104857600 bytes (105 MB, 100 MiB) copied, 1.33974 s, 78.3 MB/s
100MiBのファイルを作成しました
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 430684 118796 423460 5539552 4955252
Swap: 2097148 0 2097148
102400+0 records in
102400+0 records out
104857600 bytes (105 MB, 100 MiB) copied, 1.33965 s, 78.3 MB/s
100MiBのファイルを作成しました
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 430248 112000 423460 5546784 4955804
Swap: 2097148 0 2097148
102400+0 records in
102400+0 records out
104857600 bytes (105 MB, 100 MiB) copied, 1.33563 s, 78.5 MB/s
100MiBのファイルを作成しました
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 430704 117628 423460 5540700 4955168
Swap: 2097148 0 2097148
102400+0 records in
102400+0 records out
104857600 bytes (105 MB, 100 MiB) copied, 1.3298 s, 78.9 MB/s
100MiBのファイルを作成しました
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 430572 114788 423460 5543672 4955296
Swap: 2097148 0 2097148
root@6093f04a2a54:/home/free_tutorial#
tmpfsを作成して、sharedの増加を確認する
共有メモリはプロセス間通信の際などに使われることが多いです。
しかし、今回はわざわざ c などでコーディングするのも面倒なので、tmpfsコマンドを使います。
tmpfsはメモリ上に作成される一時的なファイルシステムです。
tmpfsコマンドでメモリ上にファイルシステムを作成し、そこに10MiBのファイルを作成すると、sharedの値が10MiB程度増えることを確認できます。
root@2532b146d5d0:/home/free_tutorial# free
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 423820 4447700 423464 1217512 4963808
Swap: 2097148 0 2097148
root@2532b146d5d0:/home/free_tutorial# mkdir /tmp10 && chmod 777 /tmp10
root@2532b146d5d0:/home/free_tutorial# ll -d /tmp10
drwxrwxrwx 2 root root 4096 Mar 19 12:06 /tmp10/
root@2532b146d5d0:/home/free_tutorial# mount -t tmpfs tmpfs /tmp10 -osize=1G
root@2532b146d5d0:/home/free_tutorial# dd if=/dev/urandom of=/tmp10/tmp_10m bs=1024 count=$((1024*10))
10240+0 records in
10240+0 records out
10485760 bytes (10 MB, 10 MiB) copied, 0.146004 s, 71.8 MB/s
root@2532b146d5d0:/home/free_tutorial# free
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 423856 4437360 433704 1227816 4956548
Swap: 2097148 0 2097148
root@2532b146d5d0:/home/free_tutorial#
ついでにfreeコマンドのオプションもざっと確認する
freeコマンドのオプションはそれほど難しくないので、ざっと実行しておいて、実際に使うときはmanコマンドで確認すればすぐ使えるくらいの状態にしておく便利です！
root@2532b146d5d0:/home/free_tutorial# free -b // バイト単位で出力
total used free shared buff/cache available
Mem: 6235168768 434221056 4543623168 444112896 1257324544 5077553152
Swap: 2147479552 0 2147479552
root@2532b146d5d0:/home/free_tutorial# free -k // キロバイト単位で出力（デフォルト）
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 424040 4437132 433704 1227860 4958560
Swap: 2097148 0 2097148
root@2532b146d5d0:/home/free_tutorial# free -m // メガバイト単位で出力
total used free shared buff/cache available
Mem: 5946 414 4333 423 1199 4842
Swap: 2047 0 2047
root@2532b146d5d0:/home/free_tutorial# free -g // ギガバイト単位で出力
total used free shared buff/cache available
Mem: 5 0 4 0 1 4
Swap: 1 0 1
root@2532b146d5d0:/home/free_tutorial# free -h // いい感じの（人間が見やすい）単位で出力
total used free shared buff/cache available
Mem: 5.8Gi 413Mi 4.2Gi 423Mi 1.2Gi 4.7Gi
Swap: 2.0Gi 0B 2.0Gi
root@2532b146d5d0:/home/free_tutorial# free -s 1 -c 3 // 1秒おきに3回出力
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 423724 4437384 433704 1227924 4958892
Swap: 2097148 0 2097148
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 423724 4437384 433704 1227924 4958892
Swap: 2097148 0 2097148
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 423732 4437376 433704 1227924 4958880
Swap: 2097148 0 2097148
root@2532b146d5d0:/home/free_tutorial# free -t // メモリ + スワップの行を追加（4行目）
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 423976 4437124 433704 1227932 4958640
Swap: 2097148 0 2097148
Total: 8186180 423976 6534272
root@2532b146d5d0:/home/free_tutorial# free -l // メモリのうち、カーネルとプロセスの内訳を表示（buff/cacheがカーネルの管轄であることが確認できる）
total used free shared buff/cache available
Mem: 6089032 423968 4437132 433704 1227932 4958648
Low: 6089032 1651900 4437132
High: 0 0 0
Swap: 2097148 0 2097148
root@2532b146d5d0:/home/free_tutorial#
おわりに
簡単な実験を通してfreeコマンドを叩くことで、少しでも多くの人の理解度が上がれば嬉しいです。
統計情報出力系のコマンドをメインに、他のコマンドについてもこのような記事を書きたいと思ってます！