Linux 下swap工作原理
系统内存不足是处理机制
内存不足时这其实会导致两种可能结果,内存回收和 OOM 杀死进程
先来看后一个可能结果,内存资源紧张导致的 OOM(Out Of Memory),相对容易理解,指的是系统杀死占用大量内存的进程,释放这些内存,再分配给其他更需要的进程。
内存回收机制
大部分文件页,都可以直接回收,以后有需要时,再从磁盘重新读取就可以了。而那些被应用程序修改过,并且暂时还没写入磁盘的数据(也就是脏页),就得先写入磁盘,然后才能进行内存释放。这些脏页,一般可以通过两种方式写入磁盘。
可以在应用程序中,通过系统调用 fsync ,把脏页同步到磁盘中;
也可以交给系统,由内核线程 pdflush 负责这些脏页的刷新。
除了缓存和缓冲区,通过内存映射获取的文件映射页,也是一种常见的文件页。它也可以被释放掉,下次再访问的时候,从文件重新读取。
如,应用程序动态分配的堆内存,也就是内存管理中说到的匿名页(Anonymous Page);本不应该被回收,因为它们很可能还要再次被访问啊,当然不能直接回收了;但是,如果这些内存在分配后很少被访问,似乎也是一种资源浪费。
其实,这正是 Linux 的 Swap 机制。Swap 把这些不常访问的内存先写到磁盘中,然后释放这些内存,给其他更需要的进程使用。再次访问这些内存时,重新从磁盘读入内存就可以了。
Swap 原理
Swap 说白了就是把一块磁盘空间或者一个本地文件,当成内存来使用。它包括换出和换入两个过程。
换出,就是把进程暂时不用的内存数据存储到磁盘中,并释放这些数据占用的内存。
换入,则是在进程再次访问这些内存的时候,把它们从磁盘读到内存中来。
Swap 其实是把系统的可用内存变大了。这样,即使服务器的内存不足,也可以运行大内存的应用程序。
当然,现在的内存便宜多了,服务器一般也会配置很大的内存,也并不是说swap机制就用不到了,事实上,内存再大,对应用程序来说,也有不够用的时候。一个很典型的场景就是,即使内存不足时,有些应用程序也并不想被 OOM 杀死,而是希望能缓一段时间,等待人工介入,或者等系统自动释放其他进程的内存,再分配给它。
除此之外,常见的笔记本电脑的休眠和快速开机的功能,也基于 Swap 。休眠时,把系统的内存存入磁盘,这样等到再次开机时,只要从磁盘中加载内存就可以。这样就省去了很多应用程序的初始化过程,加快了开机速度。
回收内存的时间
一个最容易想到的场景就是,有新的大块内存分配请求,但是剩余内存不足。这个时候系统就需要回收一部分内存(比如前面提到的缓存),进而尽可能地满足新内存请求。这个过程通常被称为直接内存回收。
除了直接内存回收,还有一个专门的内核线程用来定期回收内存,也就是 kswapd0。为了衡量内存的使用情况,kswapd0 定义了三个内存阈值(watermark,也称为水位),分别是页最小阈值(pages_min)、页低阈值(pages_low)和页高阈值(pages_high)。剩余内存,则使用 pages_free 表示
kswapd0 定期扫描内存的使用情况,并根据剩余内存落在这三个阈值的空间位置,进行内存的回收操作。
剩余内存小于页最小阈值,说明进程可用内存都耗尽了,只有内核才可以分配内存。
剩余内存落在页最小阈值和页低阈值中间,说明内存压力比较大,剩余内存不多了。这时 kswapd0 会执行内存回收,直到剩余内存大于高阈值为止。
剩余内存落在页低阈值和页高阈值中间,说明内存有一定压力,但还可以满足新内存请求。
剩余内存大于页高阈值,说明剩余内存比较多,没有内存压力。
可以看到,一旦剩余内存小于页低阈值,就会触发内存的回收。这个页低阈值,其实可以通过内核选项 /proc/sys/vm/min_free_kbytes 来间接设置。min_free_kbytes 设置了页最小阈值,而其他两个阈值,都是根据页最小阈值计算生成的,计算方法如下
pages_low = pages_min*5/4 pages_high = pages_min*3/2
NUMA 与 Swap的关系
很多情况下,明明发现了 Swap 升高,可是在分析系统的内存使用时,却很可能发现,系统剩余内存还多着呢。
这正是处理器的 NUMA (Non-Uniform Memory Access)架构导致的。
在 NUMA 架构下,多个处理器被划分到不同 Node 上,且每个 Node 都拥有自己的本地内存空间
而同一个 Node 内部的内存空间,实际上又可以进一步分为不同的内存域(Zone),比如直接内存访问区(DMA)、普通内存区(NORMAL)、伪内存区(MOVABLE)等,如下图所示:
先不用特别关注这些内存域的具体含义,只要会查看阈值的配置,以及缓存、匿名页的实际使用情况就够了。
既然 NUMA 架构下的每个 Node 都有自己的本地内存空间,那么,在分析内存的使用时,也应该针对每个 Node 单独分析。
可以通过 numactl 命令,来查看处理器在 Node 的分布情况,以及每个 Node 的内存使用情况。比如,下面就是一个 numactl 输出的示例:
[root@localhost ~]# numactl --hardware available: 1 nodes (0) node 0 cpus: 0 1 node 0 size: 7966 MB node 0 free: 7427 MB node distances: node 0 0: 10
这个界面显示,系统中只有一个 Node,也就是 Node 0 ,而且编号为 0 和 1 的两个 CPU, 都位于 Node 0 上。另外,Node 0 的内存大小为 7966 MB,剩余内存为 7427 MB。
提到的三个内存阈值(页最小阈值、页低阈值和页高阈值),都可以通过内存域在 proc 文件系统中的接口 /proc/zoneinfo 来查看。
$ cat /proc/zoneinfo ... Node 0, zone Normal pages free 227894 min 14896 low 18620 high 22344 ... nr_free_pages 227894 nr_zone_inactive_anon 11082 nr_zone_active_anon 14024 nr_zone_inactive_file 539024 nr_zone_active_file 923986 ...
这个输出中有大量指标,解释一下比较重要的几个。
pages 处的 min、low、high,就是上面提到的三个内存阈值,而 free 是剩余内存页数,它跟后面的 nr_free_pages 相同。
nr_zone_active_anon 和 nr_zone_inactive_anon,分别是活跃和非活跃的匿名页数。
nr_zone_active_file 和 nr_zone_inactive_file,分别是活跃和非活跃的文件页数。
从这个输出结果可以发现,剩余内存远大于页高阈值,所以此时的 kswapd0 不会回收内存。
当然,某个 Node 内存不足时,系统可以从其他 Node 寻找空闲内存,也可以从本地内存中回收内存。具体选哪种模式,你可以通过 /proc/sys/vm/zone_reclaim_mode 来调整。它支持以下几个选项:
默认的 0 ,也就是刚刚提到的模式,表示既可以从其他 Node 寻找空闲内存,也可以从本地回收内存。
1、2、4 都表示只回收本地内存,2 表示可以回写脏数据回收内存,4 表示可以用 Swap 方式回收内存。
swappines回收内存的方式
就可以理解内存回收的机制了。这些回收的内存既包括了文件页,又包括了匿名页。
对文件页的回收,当然就是直接回收缓存,或者把脏页写回磁盘后再回收。
而对匿名页的回收,其实就是通过 Swap 机制,把它们写入磁盘后再释放内存。
Linux 提供了一个 /proc/sys/vm/swappiness 选项,用来调整使用 Swap 的积极程度。
swappiness 的范围是 0-100,数值越大,越积极使用 Swap,也就是更倾向于回收匿名页;数值越小,越消极使用 Swap,也就是更倾向于回收文件页。虽然 swappiness 的范围是 0-100,不过要注意,这并不是内存的百分比,而是调整 Swap 积极程度的权重,即使你把它设置成 0,当剩余内存 + 文件页小于页高阈值时,还是会发生 Swap。