《奔跑吧Linux内核（第2版）卷1：基础架构》探索系统内存信息获取

maskmoo

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<i class="pstatus"> 本帖最后由 maskmoo 于 2024-1-7 23:00 编辑 </i>

# 1 查看系统内存信息

> 以下两个命令是在Ubuntu虚拟机中测试的。

## 1 Top 工具

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_770985_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>image-20240107214555862.png</strong> <em class="xg1">(137.46 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_770985" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=770985&handlekey=savephoto_770985">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

通过Top 命令可以实时查看系统主存（Mem）和交换分区（Swap）的总量、空闲量以及使用量（第 3 行和第 4 行）。

## 2 vmstat命令

vmstat 命令可以显示系统的 CPU、内存以及 IO 的使用情况，

使用方法是 vmstat 带有两个参数，第一个参数采样时间间隔，单位是 s，第二个参数采用采样次数。如果不接任何参数即只采样1次。

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_770986_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>image-20240107215549443.png</strong> <em class="xg1">(54.61 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_770986" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=770986&handlekey=savephoto_770986">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

其中r:表示在运行队列中正在执行和等待的进程数。b:表示阻塞的进程。swap:表示交换到交换分区的内存大小。free:空闲的物理内存大小。buff:用作磁盘缓存的大小。cache:用于页面缓存的内存大小。si:每秒从交换分区读回到内存的大小。so:每秒写入交换分区的大小。bi:每秒读取磁盘(块设备)的块数量。bo:每秒写入磁盘(块设备)的块数量。in:每秒中断数,包括时钟中断。cs:每秒上下文切换数量。us:用户进程执行时间百分比。sy:内核系统进程执行时间百分比。wa:I/O等待时间百分比。id:空闲时间百分比。

# 2 获取系统的物理内存信息

本次实验实在 QEMU上进行的。

## 1 启动 QEMU+runninglinuxkernel

```shell
cd home/rlk/rlk/runninglinuxkernel_5.0
./run_rlk_arm64.sh run
```

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_770987_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>image-20240107221132891.png</strong> <em class="xg1">(91.32 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_770987" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=770987&handlekey=savephoto_770987">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

## 2 编译加载实验代码

编译实验的参考代码;

```sh
cd /mnt/rlk_lab/rlk_basic/chapter_9_mm/lab2_get_system_mem_info/
make
```

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_770989_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>image-20240107221529365.png</strong> <em class="xg1">(96.72 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_770989" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=770989&handlekey=savephoto_770989">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

加载内核模块。

```
su
sudo insmod mm_info.ko
```

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_770990_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>image-20240107221942607.png</strong> <em class="xg1">(160.26 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_770990" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=770990&handlekey=savephoto_770990">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

与cat /proc/meminfo查看到的信息相差不大 （内存是动态变化的，两次查看之间会有细微变化）。

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_770991_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>image-20240107222244078.png</strong> <em class="xg1">(134.43 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_770991" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=770991&handlekey=savephoto_770991">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

## 3 实验代码分析

实验用到的代码如下：

```C
#include <linux/version.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/mm.h>

#define PRT(a, b) pr_info("%-15s=%10d %10ld %8ld\n", \
         a, b, (PAGE_SIZE*b)/1024, (PAGE_SIZE*b)/1024/1024)

static int __init my_init(void)
{
  struct page *p;
  unsigned long i, pfn, valid = 0;
  int free = 0, locked = 0, reserved = 0, swapcache = 0,
    referenced = 0, slab = 0, private = 0, uptodate = 0,
    dirty = 0, active = 0, writeback = 0, mappedtodisk = 0;

unsigned long num_physpages;

num_physpages = get_num_physpages();
  for (i = 0; i < num_physpages; i++) {

/* Most of ARM systems have ARCH_PFN_OFFSET */
      pfn = i + ARCH_PFN_OFFSET;
      /* may be holes due to remapping */
      if (!pfn_valid(pfn))
        continue;

valid++;
      p = pfn_to_page(pfn);
      if (!p)
        continue;
      /* page_count(page) == 0 is a free page. */
      if (!page_count(p)) {
        free++;
        continue;
      }
      if (PageLocked(p))
        locked++;
      if (PageReserved(p))
        reserved++;
      if (PageSwapCache(p))
        swapcache++;
      if (PageReferenced(p))
        referenced++;
      if (PageSlab(p))
        slab++;
      if (PagePrivate(p))
        private++;
      if (PageUptodate(p))
        uptodate++;
      if (PageDirty(p))
        dirty++;
      if (PageActive(p))
        active++;
      if (PageWriteback(p))
        writeback++;
      if (PageMappedToDisk(p))
        mappedtodisk++;
  }

pr_info("\nExamining %ld pages (num_phys_pages) = %ld MB\n",
      num_physpages, num_physpages * PAGE_SIZE / 1024 / 1024);
  pr_info("Pages with valid PFN's=%ld, = %ld MB\n", valid,
      valid * PAGE_SIZE / 1024 / 1024);
  pr_info("\n       Pages   KB   MB\n\n");

PRT("free", free);
  PRT("locked", locked);
  PRT("reserved", reserved);
  PRT("reserved", reserved);
  PRT("swapcache", swapcache);
  PRT("referenced", referenced);
  PRT("slab", slab);
  PRT("private", private);
  PRT("uptodate", uptodate);
  PRT("dirty", dirty);
  PRT("active", active);
  PRT("writeback", writeback);
  PRT("mappedtodisk", mappedtodisk);

return 0;
}

static void __exit my_exit(void)
{
  pr_info("Module exit\n");
}

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);

MODULE_AUTHOR("Ben Shushu");

```

用GPT分析一下：

这段代码是一个Linux内核模块，用于分析系统中的物理页（page）的状态和属性。该模块通过迭代物理页，并检查每个页的属性，然后打印相关信息。以下是代码的主要分析：

1. **头文件引入：**
 - 头文件 `<linux/version.h>` 用于获取Linux内核版本信息。
 - `<linux/module.h>` 和 `<linux/init.h>` 是内核模块的必要头文件。
 - `<linux/mm.h>` 包含了与内存管理相关的一些定义和函数。
2. **宏定义：**
 - `PRT(a, b)` 是一个宏，用于打印相关信息，包括属性名称、页数、KB和MB。该宏将信息格式化并通过 `pr_info` 函数打印出来。
3. **初始化函数 `my_init`：**
 - 获取系统中物理页的总数，并通过 `get_num_physpages()` 函数得到。
 - 使用 `for` 循环迭代每个物理页。
 - 对于有效的页（通过 `pfn_valid` 判断），获取页的信息，包括是否是空闲页、是否被锁定等。
 - 打印各种页的数量和相关信息。
4. **退出函数 `my_exit`：**
 - 在模块退出时打印一条信息。
5. **模块初始化和退出宏：**
 - `module_init(my_init)` 定义了模块初始化函数。
 - `module_exit(my_exit)` 定义了模块退出函数。
 - `MODULE_AUTHOR("Ben Shushu")` 指定了模块的作者。
6. **打印信息：**
 - 使用 `pr_info` 打印了有关物理页状态的详细信息，包括空闲页、锁定页、保留页等。

总体而言，这个模块通过访问内核数据结构，获取并分析系统中物理页的状态和属性，并以可读的格式输出这些信息。这对于了解系统内存使用情况以及调试与内存相关的问题非常有用。需要注意的是，由于内核版本和架构的不同，某些宏和函数的行为可能会有所不同。

# 总结

本文通过在Ubuntu虚拟机中测试Top工具和vmstat命令，展示了获取系统内存信息的两种方式。随后在QEMU虚拟机中进行了实验，通过编译获取系统的物理内存信息的实验代码并加载内核模块，进行获取系统的物理内存信息的实验测试。

在实验代码中通过访问内核数据结构，分析系统中的物理页状态和属性，并使用pr_info宏输出相关信息。通过GPT对代码的解析，更清晰的了解模块是如何迭代物理页、获取各种属性，并以格式化的方式输出这些信息的。

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