淺談Linux作業系統的Swap交換區

　　Swap，即交換區，除了安裝Linux的時候，有多少人關心過它呢?其實，Swap的調整對Linux伺服器，特別是Web伺服器的效能至關重要。通過調整Swap，有時可以越過系統效能瓶頸，節省系統升級費用。

　　Swap的原理是一個較複雜的問題，需要大量的篇幅來說明。在這裡只作簡單的介紹，在以後的文章中將和大家詳細討論Swap實現的細節。

　　眾所周知，現代作業系統都實現了“虛擬記憶體”這一技術，不但在功能上突破了實體記憶體的限制，使程式可以操縱大於實際實體記憶體的空間，更重要的是，“虛擬記憶體”是隔離每個程式的安全保護網，使每個程式都不受其它程式的干擾。

　　Swap空間的作用可簡單描述為：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。

　　計算機使用者會經常遇這種現象。例如，在使用Windows系統時，可以同時執行多個程式，當你切換到一個很長時間沒有理會的程式時，會聽到硬碟“嘩嘩”直響。這是因為這個程式的記憶體被那些頻繁執行的程式給“偷走”了，放到了Swap區中。因此，一旦此程式被放置到前端，它就會從Swap區取回自己的資料，將其放進記憶體，然後接著執行。

　　需要說明一點，並不是所有從實體記憶體中交換出來的資料都會被放到Swap中(如果這樣的話，Swap就會不堪重負)，有相當一部分資料被直接交換到檔案系統。例如，有的程式會開啟一些檔案，對檔案進行讀寫(其實每個程式都至少要開啟一個檔案，那就是執行程式本身)，當需要將這些程式的記憶體空間交換出去時，就沒有必要將檔案部分的資料放到Swap空間中了，而可以直接將其放到檔案裡去。如果是讀檔案操作，那麼記憶體資料被直接釋放，不需要交換出來，因為下次需要時，可直接從檔案系統恢復;如果是寫檔案，只需要將變化的資料儲存到檔案中，以便恢復。但是那些用malloc和new函式生成的物件的資料則不同，它們需要Swap空間，因為它們在檔案系統中沒有相應的“儲備”檔案，因此被稱作“匿名”(Anonymous)記憶體資料。這類資料還包括堆疊中的一些狀態和變數資料等。所以說，Swap空間是“匿名”資料的交換空間。

　　突破128M Swap限制

　　經常看到有些Linux(國內漢化版)安裝手冊上有這樣的說明：Swap空間不能超過128M。為什麼會有這種說法?在說明“128M”這個數字的來歷之前，先給問題一個回答：現在根本不存在128M的限制!現在的限制是2G!

　　Swap空間是分頁的，每一頁的大小和記憶體頁的大小一樣，方便Swap空間和記憶體之間的資料交換。舊版本的Linux實現Swap空間時，用Swap空間的第一頁作為所有Swap空間頁的一個“位對映”(Bit map)。這就是說第一頁的每一位，都對應著一頁Swap空間。如果這一位是1，表示此頁Swap可用;如果是0，表示此頁是壞塊，不能使用。這麼說來，第一個Swap對映位應該是0，因為，第一頁Swap是對映頁。另外，最後10個對映位也被佔用，用來表示Swap的版本(原來的版本是Swap_space ，現在的版本是swapspace2)。那麼，如果說一頁的大小為s，這種Swap的實現方法共能管理“8 * ( s - 10 ) - 1”個Swap頁。對於i386系統來說s=4096，則空間大小共為133890048，如果認為1 MB=2^20 Byte的話，大小正好為128M。

　　之所以這樣來實現Swap空間的管理，是要防止Swap空間中有壞塊。如果系統檢查到Swap中有壞塊，則在相應的位對映上標記上0，表示此頁不可用。這樣在使用Swap時，不至於用到壞塊，而使系統產生錯誤。

　　現在的系統設計者認為：

　　1.現在硬碟質量很好，壞塊很少。

　　2.就算有，也不多，只需要將壞塊羅列出來，而不需要為每一頁建立對映。

　　3.如果有很多壞塊，就不應該將此硬碟作為Swap空間使用。

　　於是，現在的Linux取消了位對映的方法，也就取消了128M的限制。直接用地址訪問，限制為2G。

　　Swap配置對效能的影響

　　分配太多的Swap空間會浪費磁碟空間，而Swap空間太少，則系統會發生錯誤。 如果系統的實體記憶體用光了，系統就會跑得很慢，但仍能執行;如果Swap空間用光了，那麼系統就會發生錯誤。例如，Web伺服器能根據不同的請求數量衍生出多個服務程式(或執行緒)，如果Swap空間用完，則服務程式無法啟動，通常會出現“application is out of memory”的錯誤，嚴重時會造成服務程式的死鎖。因此Swap空間的分配是很重要的。

　　通常情況下，Swap空間應大於或等於實體記憶體的大小，最小不應小於64M，通常Swap空間的大小應是實體記憶體的2-2.5倍。但根據不同的應用，應有不同的配置：如果是小的桌面系統，則只需要較小的Swap空間，而大的伺服器系統則視情況不同需要不同大小的Swap空間。特別是資料庫伺服器和Web伺服器，隨著訪問量的增加，對Swap空間的要求也會增加，具體配置參見各伺服器產品的說明。

　　另外，Swap分割槽的數量對效能也有很大的影響。因為Swap交換的操作是磁碟IO的操作，如果有多個Swap交換區，Swap空間的分配會以輪流的方式操作於所有的Swap，這樣會大大均衡IO的負載，加快Swap交換的速度。如果只有一個交換區，所有的交換操作會使交換區變得很忙，使系統大多數時間處於等待狀態，效率很低。用效能監視工具就會發現，此時的CPU並不很忙，而系統卻慢。這說明，瓶頸在IO上，依靠提高CPU的速度是解決不了問題的。

　　系統效能監視

　　Swap空間的分配固然很重要，而系統執行時的效能監控卻更加有價值。通過效能監視工具，可以檢查系統的各項效能指標，找到系統效能的瓶頸。本文只介紹一下在Solaris下和Swap相關的一些命令和用途。

　　最常用的是Vmstat命令(在大多數Unix平臺下都有這樣一些命令)，此命令可以檢視大多數效能指標。

　　例如：

　　揭開Linux作業系統的Swap交換區之謎

　　命令說明：

　　vmstat 後面的引數指定了效能指標捕獲的時間間隔。3表示每三秒鐘捕獲一次。第一行資料不用看，沒有價值，它僅反映開機以來的平均效能。從第二行開始，反映每三秒鐘之內的系統效能指標。這些效能指標中和Swap有關的包括以下幾項：

　　procs下的w

　　它表示當前(三秒鐘之內)需要釋放記憶體、交換出去的程式數量。

　　memory下的swpd

　　它表示使用的Swap空間的大小。

　　Swap下的si，so

　　si表示當前(三秒鐘之內)每秒交換回記憶體(Swap in)的總量，單位為kbytes;so表示當前(三秒鐘之內)每秒交換出記憶體(Swap out)的總量，單位為kbytes。

　　以上的指標數量越大，表示系統越忙。這些指標所表現的系統繁忙程度，與系統具體的配置有關。系統管理員應該在平時系統正常執行時，記下這些指標的數值，在系統發生問題的時候，再進行比較，就會很快發現問題，並制定本系統正常執行的標準指標值，以供效能監控使用。

　　另外，使用Swapon-s也能簡單地檢視當前Swap資源的使用情況。例如：

　　揭開Linux作業系統的Swap交換區之謎

　　能夠方便地看出Swap空間的已用和未用資源的大小。

　　應該使Swap負載保持在30%以下，這樣才能保證系統的良好效能。

　　有關Swap操作的系統命令

　　增加Swap空間，分以下幾步：

　　1)成為超級使用者

　　$su - root

　　2)建立Swap檔案

　　# dd if=/dev/zero of=swapfile bs=1024 count=65536

　　建立一個有連續空間的交換檔案。

　　3)啟用Swap檔案

　　#/usr/sbin/swapon swapfile

　　swapfile指的是上一步建立的交換檔案。 4)現在新加的Swap檔案已經起作用了，但系統重新啟動以後，並不會記住前幾步的操作。因此要在/etc/fstab檔案中記錄檔案的名字，和Swap型別，如：

　　/path/swapfile none Swap sw,pri=3 0 0

　　5)檢驗Swap檔案是否加上

　　/usr/sbin/swapon -s

　　刪除多餘的Swap空間。

　　1)成為超級使用者

　　2)使用Swapoff命令收回Swap空間。

　　#/usr/sbin/swapoff swapfile

　　3)編輯/etc/fstab檔案，去掉此Swap檔案的實體。

　　4)從檔案系統中回收此檔案。

　　#rm swapfile

　　5)當然，如果此Swap空間不是一個檔案，而是一個分割槽，則需建立一個新的檔案系統，再掛接到原來的檔案系統上。