Linux Swap詳解
什麼是Linux swap space呢？我們先來看看下面兩段關於Linux swap space的英文介紹資料:
Linux divides its physical RAM (random access memory) into chucks of memory called pages. Swapping is the process whereby a page of memory is copied to the preconfigured space on the hard disk, called swap space, to free up that page of memory. The combined sizes of the physical memory and the swap space is the amount of virtual memory available.
Swap space in Linux is used when the amount of physical memory (RAM) is full. If the system needs more memory resources and the RAM is full, inactive pages in memory are moved to the swap space. While swap space can help machines with a small amount of RAM, it should not be considered a replacement for more RAM. Swap space is located on hard drives, which have a slower access time than physical memory.Swap space can be a dedicated swap partition (recommended), a swap file, or a combination of swap partitions and swap files.
Linux核心為了提高讀寫效率與速度，會將檔案在記憶體中進行快取，這部分記憶體就是Cache Memory(快取記憶體)。即使你的程式執行結束後，Cache Memory也不會自動釋放。這就會導致你在Linux系統中程式頻繁讀寫檔案後，你會發現可用實體記憶體變少。當系統的實體記憶體不夠用的時候，就需要將實體記憶體中的一部分空間釋放出來，以供當前執行的程式使用。那些被釋放的空間可能來自一些很長時間沒有什麼操作的程式，這些被釋放的空間被臨時儲存到Swap空間中，等到那些程式要執行時，再從Swap分割槽中恢復儲存的資料到記憶體中。這樣，系統總是在實體記憶體不夠時，才進行Swap交換。
在Linux下，SWAP的作用類似Windows系統下的“虛擬記憶體”。當實體記憶體不足時，拿出部分硬碟空間當SWAP分割槽（虛擬成記憶體）使用，從而解決記憶體容量不足的情況。
SWAP意思是交換，顧名思義，當某程序向OS請求記憶體發現不足時，OS會把記憶體中暫時不用的資料交換出去，放在SWAP分割槽中，這個過程稱為SWAPOUT。當某程序又需要這些資料且OS發現還有空閒實體記憶體時，又會把SWAP分割槽中的資料交換回實體記憶體中，這個過程稱為SWAPIN。
當然，swap大小是有上限的，一旦swap使用完，作業系統會觸發OOM-Killer機制，把消耗記憶體最多的程序kill掉以釋放記憶體
資料庫系統為什麼嫌棄swap？
顯然，swap機制的初衷是為了緩解實體記憶體用盡而選擇直接粗暴OOM程序的尷尬。但坦白講，幾乎所有資料庫對swap都不怎麼待見，無論MySQL、Oracal、MongoDB抑或HBase，為什麼？這主要和下面兩個方面有關：
1.資料庫系統一般都對響應延遲比較敏感，如果使用swap代替記憶體，資料庫服務效能必然不可接受。對於響應延遲極其敏感的系統來講，延遲太大和服務不可用沒有任何區別，比服務不可用更嚴重的是，swap場景下程序就是不死，這就意味著系統一直不可用……再想想如果不使用swap直接oom，是不是一種更好的選擇，這樣很多高可用系統直接會主從切換掉，使用者基本無感知。
2.另外對於諸如HBase這類分散式系統來說，其實並不擔心某個節點宕掉，而恰恰擔心某個節點夯住。一個節點宕掉，最多就是小部分請求短暫不可用，重試即可恢復。但是一個節點夯住會將所有分散式請求都夯住，伺服器端執行緒資源被佔用不放，導致整個叢集請求阻塞，甚至叢集被拖垮。
從這兩個角度考慮，所有資料庫都不喜歡swap還是很有道理的！
swap的工作機制
既然資料庫們對swap不待見，那是不是就要使用swapoff命令關閉磁碟快取特性呢？非也，大家可以想想，關閉磁碟快取意味著什麼？實際生產環境沒有一個系統會如此激進，要知道這個世界永遠不是非0即1的，大家都會或多或少選擇走在中間，不過有些偏向0，有些偏向1而已。很顯然，在swap這個問題上，資料庫必然選擇偏向儘量少用。HBase官方文件的幾點要求實際上就是落實這個方針：儘可能降低swap影響。知己知彼才能百戰不殆，要降低swap影響就必須弄清楚Linux記憶體回收是怎麼工作的，這樣才能不遺漏任何可能的疑點。
先來看看swap是如何觸發的？
簡單來說，Linux會在兩種場景下觸發記憶體回收，一種是在記憶體分配時發現沒有足夠空閒記憶體時會立刻觸發記憶體回收；一種是開啟了一個守護程序（swapd程序）週期性對系統記憶體進行檢查，在可用記憶體降低到特定閾值之後主動觸發記憶體回收。第一種場景沒什麼可說，來重點聊聊第二種場景，如下圖所示：
檢視Swap分割槽大小
檢視Swap分割槽的大小以及使用情況，一般使用free命令即可，如下所示，Swap大小為2015M，目前沒有使用Swap分割槽
[root@DB-Server ~]# free -m total used free shared buffers cached Mem: 1000 855 145 0 28 296 -/+ buffers/cache: 530 470 Swap: 2015 0 2015
另外我們還可以使用swapon命令檢視當前swap相關資訊：例如swap空間是swap partition，Swap size，使用情況等詳細資訊
[root@DB-Server ~]# swapon -s Filename Type Size Used Priority /dev/sda3 partition 2064344 0 -1 [root@DB-Server ~]# cat /proc/swaps Filename Type Size Used Priority /dev/sda3 partition 2064344 0 -1 [root@DB-Server ~]#
如圖：
Swap分割槽大小設定
系統的Swap分割槽大小設定多大才是最優呢？ 關於這個問題，應該說只能有一個統一的參考標準，具體還應該根據系統實際情況和記憶體的負荷綜合考慮，像ORACLE的官方文件就推薦如下設定，這個是根據實體記憶體來做參考的。
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RAM |
Swap Space |
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Up to 512 MB |
2 times the size of RAM |
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Between 1024 MB and 2048 MB |
1.5 times the size of RAM |
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Between 2049 MB and 8192 MB |
Equal to the size of RAM |
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More than 8192 MB |
0.75 times the size of RAM |
另外在其它部落格中看到下面一個推薦設定，當然我不清楚其怎麼得到這個標準的。是否合理也無從考證。可以作為一個參考。
4G以內的實體記憶體，SWAP 設定為記憶體的2倍。
4-8G的實體記憶體，SWAP 等於記憶體大小。
8-64G 的實體記憶體，SWAP 設定為8G。
64-256G實體記憶體，SWAP 設定為16G。
上下兩個標準確實也很讓人無所適從。我就有一次在一臺ORACLE資料庫伺服器（64G的RAM），按照官方推薦設定了一個很大的Swap分割槽，但是我發現其實這個Swap幾乎很少用到，其實是浪費了磁碟空間。所以如果根據系統實際情況和記憶體的負荷綜合考慮，其實應該按照第二個參考標準設定為8G即可。當然這個只是個人的一些認知。
釋放Swap分割槽空間
[root@testlnx ~]# free -m total used free shared buffers cached Mem: 64556 55368 9188 0 926 51405 -/+ buffers/cache: 3036 61520 Swap: 65535 13 65522 [root@testlnx ~]# swapon -s Filename Type Size Used Priority /dev/mapper/VolGroup00-LogVol01 partition 67108856 14204 -1
使用swapoff關閉交換分割槽
[root@testlnx ~]# swapoff /dev/mapper/VolGroup00-LogVol01
使用swapon啟用交換分割槽，此時檢視交換分割槽的使用情況，你會發現used為0了
[root@testlnx ~]# swapon /dev/mapper/VolGroup00-LogVol01 [root@testlnx ~]# free -m total used free shared buffers cached Mem: 64556 55385 9171 0 926 51406 -/+ buffers/cache: 3052 61504 Swap: 65535 0 65535 [root@testlnx ~]#
wap分割槽空間什麼時候使用
系統在什麼情況或條件下才會使用Swap分割槽的空間呢？ 其實是Linux通過一個引數swappiness來控制的。當然還涉及到複雜的演算法。
這個引數值可為 0-100，控制系統 swap 的使用程度。高數值可優先系統性能，在程序不活躍時主動將其轉換出實體記憶體。低數值可優先互動性並儘量避免將程序轉換處實體記憶體，並降低反應延遲。預設值為 60。注意：這個只是一個權值，不是一個百分比值，涉及到系統核心複雜的演算法。關於該引數請參考這篇文章[轉載]調整虛擬記憶體，在此不做過多贅述。下面是關於swappiness的相關資料
The Linux 2.6 kernel added a new kernel parameter called swappiness to let administrators tweak the way Linux swaps. It is a number from 0 to 100. In essence, higher values lead to more pages being swapped, and lower values lead to more applications being kept in memory, even if they are idle. Kernel maintainer Andrew Morton has said that he runs his desktop machines with a swappiness of 100, stating that "My point is that decreasing the tendency of the kernel to swap stuff out is wrong. You really don't want hundreds of megabytes of BloatyApp's untouched memory floating about in the machine. Get it out on the disk, use the memory for something useful."
Swappiness is a property of the Linux kernel that changes the balance between swapping out runtime memory, as opposed to dropping pages from the system page cache. Swappiness can be set to values between 0 and 100 inclusive. A low value means the kernel will try to avoid swapping as much as possible where a higher value instead will make the kernel aggressively try to use swap space. The default value is 60, and for most desktop systems, setting it to 100 may affect the overall performance, whereas setting it lower (even 0) may improve interactivity (by decreasing response latency.
有兩種臨時修改swappiness引數的方法，系統重啟後失效
方法1： [root@DB-Server ~]# more /proc/sys/vm/swappiness 60 [root@DB-Server ~]# echo 10 > /proc/sys/vm/swappiness [root@DB-Server ~]# more /proc/sys/vm/swappiness 10 方法2 [root@DB-Server ~]#sysctl vm.swappiness=10
永久修改swappiness引數的方法就是在配置檔案/etc/sysctl.conf裡面修改vm.swappiness的值，然後重啟系統
echo 'vm.swappiness=10' >>/etc/sysctl.conf
如果有人會問是否實體記憶體使用到某個百分比後才會使用Swap交換空間，可以明確的告訴你不是這樣一個演算法，如下截圖所示，及時實體記憶體只剩下8M了，但是依然沒有使用Swap交換空間，而另外一個例子，實體記憶體還剩下19G，居然用了一點點Swap交換空間。
如圖：
外調整/proc/sys/vm/swappiness這個引數，如果你沒有絕對把握，就不要隨便調整這個核心引數，這個引數符合大多數情況下的一個最優值。
Swap交換分割槽對效能的影響
我們知道Linux可以使用檔案系統中的一個常規檔案或獨立分割槽作為Swap交換空間，相對而言，交換分割槽要快一些。但是和RAM比較而言，Swap交換分割槽的效能依然比不上實體記憶體，目前的伺服器上RAM基本上都相當充足，那麼是否可以考慮拋棄Swap交換分割槽，是否不需要保留Swap交換分割槽呢？這個其實是我的疑問之一。在這篇What Is a Linux SWAP Partition, And What Does It Do?部落格中，作者給出了swap交換空間的優劣
Advantages:
- Provides overflow space when your memory fills up completely
- Can move rarely-needed items away from your high-speed memory
- Allows you to hibernate
Disadvantages:
- Takes up space on your hard drive as SWAP partitions do not resize dynamically
- Can increase wear and tear to your hard drive
- Does not necessarily improve performance (see below)
其實保留swap分割槽概括起來可以從下面來看：
首先，當實體記憶體不足以支撐系統和應用程式（程序）的運作時，這個Swap交換分割槽可以用作臨時存放使用率不高的記憶體分頁，把騰出的記憶體交給急需的應用程式（程序）使用。有點類似機房的UPS系統，雖然正常情況下不需要使用，但是異常情況下， Swap交換分割槽還是會發揮其關鍵作用。
其次，即使你的伺服器擁有足夠多的實體記憶體，也有一些程式會在它們初始化時殘留的極少再用到的記憶體分頁內容轉移到 swap 空間，以此讓出實體記憶體空間。對於有發生記憶體洩漏機率的應用程式（程序），Swap交換分割槽更是重要，因為誰也不想看到由於實體記憶體不足導致系統崩潰。
最後，現在很多個人使用者在使用Linux，有些甚至是PC的虛擬機器上跑Linux系統，此時可能常用到休眠（Hibernate），這種情況下也是推薦劃分Swap交換分割槽的。
其實少量使用Swap交換空間是不會影響效能，只有當RAM資源出現瓶頸或者記憶體洩露，程序異常時導致頻繁、大量使用交換分割槽才會導致嚴重效能問題。另外使用Swap交換分割槽頻繁，還會引起kswapd0程序（虛擬記憶體管理中, 負責換頁的）耗用大量CPU資源，導致CPU飆升。
關於Swap分割槽的優劣以及是否應該捨棄，我有點惡趣味的想到了這個事情：人身上的兩個器官，闌尾和扁桃體。切除闌尾或扁桃體是否也是爭論不休。另外，其實不要Swap交換分割槽，Linux也是可以正常執行的（有人提及過這個問題）
調整Swap分割槽的大小
如下測試案例所示，Swap分割槽大小為65535M，我現在想將Swap分割槽調整為8G，那麼我們來看看具體操作吧
1：檢視Swap的使用情況以及相關資訊
[root@getlnx14uat ~]# swapon -s Filename Type Size Used Priority /dev/mapper/VolGroup00-LogVol01 partition 67108856 878880 -1 [root@getlnx14uat ~]# free -m total used free shared buffers cached Mem: 3957 3920 36 0 39 3055 -/+ buffers/cache: 825 3132 Swap: 65535 858 64677
2： 關閉Swap交換分割槽
[root@getlnx14uat ~]# swapoff /dev/mapper/VolGroup00-LogVol01 [root@getlnx14uat ~]# swapon -s Filename Type Size Used Priorit
3： 這裡是縮小Swap分割槽大小，如果是增大Swap分割槽大小，那麼就需要擴充套件正在使用的swap分割槽的邏輯卷,此處使用lvreduce命令收縮邏輯卷。
[root@getlnx14uat ~]# lvreduce -L 8G /dev/mapper/VolGroup00-LogVol01 WARNING: Reducing active logical volume to 8.00 GB THIS MAY DESTROY YOUR DATA (filesystem etc.) Do you really want to reduce LogVol01? [y/n]: y Reducing logical volume LogVol01 to 8.00 GB Logical volume LogVol01 successfully resized
4：格式化swap分割槽
Setting up swapspace version 1, size = 8589930 kB
5:啟動swap分割槽,並增加到/etc/fstab自動掛載
Filename Type Size Used Priority
[root@getlnx14uat ~]# swapon -s
/dev/mapper/VolGroup00-LogVol01 partition 8388600 0 -1
如圖：
參考：
https://www.cnblogs.com/kerrycode/p/5246383.html
https://www.cnblogs.com/pipci/p/11399250.html