Linux top 命令里的内存相关字段（VIRT, RES, SHR, CODE, DATA）

Linux 系统中，著名的 top 命令可列出各个进程对系统资源的利用情况。其中有 VIRT, RES, SHR, CODE, DATA 等几个字段，用来描述进程对内存的使用情况。（后二者默认不展示，需要按下 F 键，将相关字段调出来）。

但它们究竟表示什么含义呢？

`top` 命令的文档

执行 man top 可查看 top 命令的手册。可见这些字段的含义：

VIRT Virtual Memory Size (KiB)：进程使用的所有虚拟内存；包括代码（code）、数据（data）、共享库（shared libraries），以及被换出（swap out）到交换区和映射了（map）但尚未使用（未载入实体内存）的部分。
RES Resident Memory Size (KiB)：进程所占用的所有实体内存（physical memory），不包括被换出到交换区的部分。
SHR Shared Memory Size (KiB)：进程可读的全部共享内存，并非所有部分都包含在 RES 中。它反映了可能被其他进程共享的内存部分。
CODE Code Size (KiB)：进程所占用的实体内存中，可执行代码所占用的内存大小。此项亦称为驻存代码集合（Text Resident Set, TRS）。
DATA Data + Stack Size (KiB)：进程所占用的实体内存中，除去可执行代码所占用部分之外的内存大小。此项亦称为驻存数据集合（Data Resident Set, DRS）。

但是，真的这样吗？

按照 top 命令的手册，应有等式 CODE + DATA = RES 成立。但这里，进程号为 22 的进程，CODE 为 59,984KiB，DATA 为 42.076GiB，RES 为 5.348GiB。显然不满足上述等式。

`top` 命令的数据源

经查，top 命令读取的是 /proc/<pid>/statm 当中的数据。

你可以通过 cat /proc/<pid>/statm 来查看。它有 7 列，分别是以内存页计算的 VIRT, RES, SHR, CODE, LRS, DATA, DIRTY。其中 LRS 和 DIRTY 自 Linux 2.6 开始不再使用。内存页的大小是 4KiB，因此，将内存页的数量乘以 4，就是以 KiB 计算的内存占用大小。

而 /proc/<pid>/statm 当中的数据，是经过内核函数 task_statm 读取而后由 procfs 写入的。

我们来看看内核函数 task_statm 是怎样定义的：

unsigned long task_statm(struct mm_struct *mm,
       unsigned long *shared, unsigned long *text,
       unsigned long *data, unsigned long *resident)
{
  *shared = get_mm_counter(mm, MM_FILEPAGES) +
      get_mm_counter(mm, MM_SHMEMPAGES);
  *text = (PAGE_ALIGN(mm->end_code) - (mm->start_code & PAGE_MASK))
                >> PAGE_SHIFT;
  *data = mm->data_vm + mm->stack_vm;
  *resident = *shared + get_mm_counter(mm, MM_ANONPAGES);
  return mm->total_vm;
}

这里 get_mm_counter 实际啥也没干，就是保证读取计数器的原子性——这是因为读取的是实体内存占用情况。

由此可知，并不一定有等式 CODE + DATA = RES 成立，但一定成立等式 ANON = RES - SHR。这里 ANON 表示在堆上分配的内存。

get_mm_counter 在 mm.h 中定义：

static inline unsigned long get_mm_counter(struct mm_struct *mm, int member)
{
  long val = atomic_long_read(&mm->rss_stat.count[member]);

#ifdef SPLIT_RSS_COUNTING
  /*
   * counter is updated in asynchronous manner and may go to minus.
   * But it's never be expected number for users.
   */
  if (val < 0)
    val = 0;
#endif
  return (unsigned long)val;
}

可见 get_mm_counter 其实啥也没干，就是保证读取计数器的原子性。

从代码可见

shared 是共享文件和动态库占用实体内存页（memory page）之和；它对应 SHR。
text 是代码段占用内存页；它对应 CODE。
data 是 VM_WRITE & ~VM_SHARED & ~VM_STACK 与 VM_STACK 占用内存页之和，也就是所有非栈内存中可写但非共享内存页与栈内存页之和；它对应 DATA。
resident 是 shared 和实体匿名内存页（memory page）之和；它对应 RES。
return value 是整个虚拟内存的内存页；它对应 VIRT。

从代码来看，VIRT, SHR, CODE, RES 与 top 命令的手册吻合，区别在于 DATA 这个字段——从我们观察到的现象，也确实在 DATA 上有明显的问题。

`DATA` 之谜

在老文中，我们谈到了虚拟内存和物理内存（实体内存）之间的差别与联系。在 Linux 中，进程能直接看到的，都是虚拟内存。

对于每一个虚拟内存页，根据其是否有对应的实体内存帧对应，有三种状态：

该页没有实体内存帧与之对应；记为 vm_unmapped。
该页有实体内存帧与之对应，且未被换出到交换区；记为 vm_physic。
该页有实体内存帧与之对应，但已被换出到交换区；记为 vm_swap。

在本文讨论的五个字段当中，按照是否有强调为 vm_physic，记录如下：

	`top` 手册	内核代码
`VIRT`	x	x
`RES`	y	y
`SHR`	x	y
`CODE`	y	y
`DATA`	y	x

可见，比较明确的是 VIRT, RES 和 CODE。SHR 的情况也比较好理解，内核代码可以明确是只包含实体内存部分，而 top 手册里则没有说明，因此我们也将其理解为只包含实体内存部分。

现在，需要确认的，就是 DATA 了。我们看一下 DATA 的实现：

1	*data = mm->data_vm + mm->stack_vm;

其中 mm 是 Linux 的内存描述符，它定义在 linux/mm_types.h 当中，是一个相当大的结构体。其中 data_vm 和 stack_vm 的定义如下：

1 2	unsigned long data_vm; /* VM_WRITE & ~VM_SHARED & ~VM_STACK / unsigned long stack_vm; / VM_STACK */

这里，显然后缀 vm 表示虚拟内存（Virtual Memory），因此 DATA 表示的不只是实体内存占用，这一点是显然的了。接下来的问题是，这里的注释表示什么呢？VM_WRITE 等宏，定义在 linux/mm.h 当中。这些宏表示虚拟内存区域（Virtual Memory Area, vm_area）的属性，由一些 one-hot 的整数来表示。于是，VM_WRITE & ~VM_SHARED & ~VM_STACK 表示非栈且非共享的可写虚拟内存区域。因此 DATA 字段表达的是虚拟内存中，栈区域与非栈区域中非共享可写区域之和。

这也就能解释，为什么 DATA 看起来远远大于 RES 了。因为 RES 是实际占用的实体内存大小，而 DATA 计算的是数据部分占用虚拟内存的大小。后者可能包含了大量实际没有与实体内存帧映射的虚拟内存页，从而导致看起来虚高。

总结

top 的手册关于 DATA 的说明是错的，有 bug。更新如下：

VIRT Virtual Memory Size (KiB)：进程使用的所有虚拟内存；包括代码（code）、数据（data）、共享库（shared libraries），以及被换出（swap out）到交换区和映射了（map）但尚未使用（未载入实体内存）的部分。
RES Resident Memory Size (KiB)：进程所占用的所有实体内存（physical memory），不包括被换出到交换区的部分。
SHR Shared Memory Size (KiB)：进程可读的全部共享实体内存，并非所有部分都包含在 RES 中。它反映了可能被其他进程共享的内存部分。
CODE Code Size (KiB)：进程所占用的实体内存中，可执行代码所占用的内存大小。此项亦称为驻存代码集合（Text Resident Set, TRS）。
DATA Data + Stack Size (KiB)：进程所占用的虚拟内存中，栈区域与非栈区域中非共享可写区域之和。

不一定有等式 CODE + DATA = RES 成立，但一定成立等式 ANON = RES - SHR 及不等式 ANON <= DATA (vm_physic) <= DATA。如果观察到程序稳定运行时 RES - SHR 不断增长，则可能预示着程序存在内存泄漏现象。

top 命令的文档

top 命令的数据源

DATA 之谜

总结

`top` 命令的文档

`top` 命令的数据源

`DATA` 之谜