匿名メモリはプログラムのヒープやスタックメモリ (例: >malloc()) として使用されるメモリで、 mlock のような特殊ケースや、利用可能なスワップ領域が存在しないような場合を除いて、回収可能なメモリとして位置づけられます。また、匿名メモリは回収される前にスワップに書き込まなければなりません。また、スワップの I/O (ページのスワップインおよびスワップアウト) は、割り当てとアクセスのパターンにより、ページキャッシュの I/O よりも効率が落ちる傾向があります。

ファイルデータのキャッシュです。ディスクやネットワークからファイルが読み込まれると、その内容がページキャッシュ内に保存されます。ページキャッシュ内の内容が最新のものであれば、ディスクやネットワークへのアクセスは不要となります。また、 tmpfs や共有メモリセグメントについても、ページキャッシュとしてカウントします。

ファイルに対して書き込みが行われる場合、ディスクやネットワークに書き戻される (つまりライトバックキャッシュを作成する) 前に、ページキャッシュにも保存が行われます。まだディスクやネットワークに書き込まれていない新しいデータが存在する場合、そのページは 「dirty」 であるとされます。逆に dirty ではないページは、 「clean」 であるとされます。 clean やページキャッシュのページは、メモリが枯渇した場合、単純に解放するだけで回収することができます。 dirty なページの場合は、回収できるようにするためにまず clean にしなければなりません。

ブロックデバイス (例: /dev/sda) に対するページキャッシュの一種です。ファイルシステムでは、inode テーブルやアロケーションビットマップなど、ディスク内のメタデータにアクセスする際にバッファキャッシュを使用します。バッファキャッシュはページキャッシュと同様に回収することができます。

バッファヘッドは小さな補助構造で、一般的にページキャッシュへのアクセス時に割り当てられるものです。ページキャッシュやバッファキャッシュが clean であれば、これらも一般に容易に回収することができます。

アプリケーションがファイルに書き込みを行う場合、ページキャッシュが dirty となるほか、バッファキャッシュについても必要に応じて dirty となります。 dirty なメモリの量が指定したページ数 (バイト単位で vm.dirty_background_bytes で指定します) を越えるか、メモリの全体量との比率が指定した値 ( vm.dirty_background_ratio ) を越えるか、もしくは指定した時間 ( vm.dirty_expire_centisecs ) より長く dirty であり続けた場合、カーネルは最初に dirty になったページのファイルからページの書き戻しを始めます。なお、 bytes の設定と ratio のパラメータは相互に排他な仕組みであり、一方を変更すると他方を上書きすることになります。また、 flusher スレッドは裏で書き戻しを行う仕組みであるため、アプリケーションは通常通り動作し続けることができます。ただし、 I/O の速度よりもアプリケーションがページを dirty にする速度のほうが早い場合、 dirty なデータが致命的な水準 ( vm.dirty_bytes もしくは vm.dirty_ratio ) を越えると、アプリケーションの速度が抑制され、 dirty なデータが過剰に生み出されないようにします。

VM はファイルのアクセスパターンを監視し、必要に応じて先読みを行おうとします。先読みはその名前の通り、まだ要求されていない範囲のものをファイルシステムからページキャッシュにページを読み込むものです。これは、より少ない回数でより大きな I/O を送信できるようにする (これによって効率化を図る) ためのものです。また、 I/O をパイプライン化する (アプリケーションの実行と同時に I/O を実施する) ためのものでもあります。

openSUSE Leap 15.6 で動作しているアプリケーションは、以前のバージョンに比べてより多くのメモリを割り当てることができます。これは glibc がユーザスペースメモリの割り当てに際して、既定の動作を変更したことによるものです。これらのパラメータについて、詳しくは https://www.gnu.org/s/libc/manual/html_node/Malloc-Tunable-Parameters.html (英語) をお読みください。

以前のバージョンの動作に戻したい場合、 M_MMAP_THRESHOLD の値を 128*1024 に設定する必要があります。これはアプリケーション側から mallopt() を利用することによって実現できるほか、アプリケーションの起動前に MALLOC_MMAP_THRESHOLD_ 環境変数を設定しても実現することができます。

回収可能なカーネルメモリ (上述のとおりキャッシュなど) については、メモリの枯渇時に自動的に解放が行われます。その他のカーネルメモリについては容易に縮小することができますが、カーネルに与えられた負荷の特性によって決まります。

ユーザスペースの負荷要件を減らす (プロセスを減らす、ファイルやソケットを減らすなど) ことで、カーネルのメモリ使用量も削減することができます。

メモリ cgroup の機能が不要である場合は、カーネルのコマンドラインに cgroup_disable=memory を追加することで、無効化を行うことができます。これにより、カーネルが使用するメモリを少しだけ削減することができます。また、メモリ cgroup が利用できるにもかかわらず設定していない場合、少しだけメモリのオーバーヘッドが存在するため、少しだけ性能改善をはかることもできます。

以前の openSUSE Leap バージョンからのライトバック関連の主な変更点として、ファイルに結びつけられた mmap() メモリが、即時に dirty なメモリとして判断されるようになった (つまりライトバックの対象となる) ことがあげられます。以前のバージョンでは、 munmap() でマップが解除された場合や msync() システムコールが呼び出された場合、もしくはメモリへの圧力が大きい場合にのみ書き戻しが行われていました。

アプリケーションによっては、このような書き戻し動作への変更を期待していないものもあり、場合によっては性能が低下してしまうことがあります。

dirty_background_ratio と dirty_ratio は、いずれもページキャッシュのライトバック動作を設定するためのものです。これらの値を増やした場合、システム内に dirty なメモリがより多く、かつ長く保持されることになります。システム内により多くの dirty なメモリを保持できる環境であれば、ライトバックの I/O を減らして、より最適な I/O パターンでの書き込みを増やすために、これらの値を活用できる場合があります。ただし dirty なメモリが多く存在していると、メモリを回収する必要がある場合や、ディスクに書き込む必要が発生した場合に一貫性を確保するタイミング ( 「同期ポイント」 ) で、遅延が発生する場合があります。

Transparent HugePages (THP) は動的な huge page の割り当て方法で、プロセス側から要求によって割り当てたり、後から khugepaged カーネルスレッドを介して遅延割り当てを行ったりするためのものです。この方式は hugetlbfs の使用とは区別されていて、こちらは割り当てと使用を手作業で管理する方式です。連続したメモリのアクセスパターンが存在する負荷の場合、 THP によって大きく性能を改善できる可能性があります。連続したメモリのアクセスパターンで一括処理を行うと、ページフォルトを 1000 倍減少させることもできてしまいます。

逆に THP が望ましくない場合もあります。たとえばメモリ内のあちこちをアクセスするようなパターンの場合、 メモリの使用量が増える結果になってしまうため、かえって性能が落ちてしまいます。たとえばフォルトごとに 4 KB ではなく、フォルト発生時点で 2 MB のメモリを使用してしまうことがあり、最終的にはページの回収を早める結果になってしまいます。

THP の動作は transparent_hugepage= のカーネルパラメータか、 sysfs 経由で設定することができます。たとえばカーネルのパラメータに transparent_hugepage=never を追加して grub2 の設定を再構築し、システムを再起動します。すると、下記のように入力して実行することで、 THP が無効化されていることを確認できます:

# cat /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
always madvise [never]

無効化されている場合、上記の例のように never が [] で囲まれて表示されます。 always に設定すると THP を常に使用するようになりますが、割り当てが失敗した場合は khugepaged に従います。 madvise に設定すると、アプリケーション側で明示的に指定されたアドレス空間に THP を割り当てるだけになります。

khugepaged は transparent_hugepage の値が always もしくは madvise である場合に自動的に開始され、 never である場合には自動的に停止します。通常は低頻度で動作するものではありますが、動作をチューニングすることもできます。

khugepaged に対するその他のパラメータは、性能チューニングにあたってはほとんど用途のないものではありますが、 /usr/src/linux/Documentation/vm/transhuge.txt ファイル (英語) で詳しく説明しています。

VM に関連するチューニングパラメータに関する完全な一覧については、 /usr/src/linux/Documentation/sysctl/vm.txt ファイル (英語, kernel-source パッケージ内に含まれています) をお読みください。