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揭开Linux的Swap之谜

为什么选择Linux?因为Linux能让你掌握你所做的一切!   为什么痛恨Windows?因为Windows让你不知道自己在做什么!   这就是我喜欢Linux的原因。只要我愿意,我可以将底层的系统运行机制看得清清楚楚,可以掌握一切。而Windows尽管界面漂亮,却让你总也猜不透她心里想什么。我不喜欢若即若离的感觉。   如果你一看到这个标题就觉得头疼,或者对Linux的内部技术根本不关心,那么,我劝你一句:别用Linux了。你只是在追赶潮流,并不是真心喜欢它。Linux的确没有Windows好用,可它比Windows“结实”。如果你对Linux的稳定性感兴趣,特别是想把Linux作为网站服务器的话,那就请看看下文吧!   Swap,即交换区,除了安装Linux的时候,有多少人关心过它呢?其实,Swap的调整对Linux服务器,特别是Web服务器的性能至关重要。通过调整Swap,有时可以越过系统性能瓶颈,节省系统升级费用。   本文内容包括:   Swap基本原理   突破128M Swap限制   Swap配置对性能的影响   Swap性能监视   有关Swap操作的系统命令   Swap基本原理   Swap的原理是一个较复杂的问题,需要大量的篇幅来说明。在这里只作简单的介绍,在以后的文章中将和大家详细讨论Swap实现的细节。   众所周知,现代操作系统都实现了“虚拟内存”这一技术,不但在功能上突破了物理内存的限制,使程序可以操纵大于实际物理内存的空间,更重要的是,“虚拟内存”是隔离每个进程的安全保护网,使每个进程都不受其它程序的干扰。   Swap空间的作用可简单描述为:当系统的物理内存不够用的时候,就需要将物理内存中的一部分空间释放出来,以供当前运行的程序使用。那些被释放的空间可能来自一些很长时间没有什么操作的程序,这些被释放的空间被临时保存到Swap空间中,等到那些程序要运行时,再从Swap中恢复保存的数据到内存中。这样,系统总是在物理内存不够时,才进行Swap交换。   计算机用户会经常遇这种现象。例如,在使用Windows系统时,可以同时运行多个程序,当你切换到一个很长时间没有理会的程序时,会听到硬盘“哗哗”直响。这是因为这个程序的内存被那些频繁运行的程序给“偷走”了,放到了Swap区中。因此,一旦此程序被放置到前端,它就会从Swap区取回自己的数据,将其放进内存,然后接着运行。   需要说明一点,并不是所有从物理内存中交换出来的数据都会被放到Swap中(如果这样的话,Swap就会不堪重负),有相当一部分数据被直接交换到文件系统。例如,有的程序会打开一些文件,对文件进行读写(其实每个程序都至少要打开一个文件,那就是运行程序本身),当需要将这些程序的内存空间交换出去时,就没有必要将文件部分的数据放到Swap空间中了,而可以直接将其放到文件里去。如果是读文件操作,那么内存数据被直接释放,不需要交换出来,因为下次需要时,可直接从文件系统恢复;如果是写文件,只需要将变化的数据保存到文件中,以便恢复。但是那些用malloc和new函数生成的对象的数据则不同,它们需要Swap空间,因为它们在文件系统中没有相应的“储备”文件,因此被称作“匿名”(Anonymous)内存数据。这类数据还包括堆栈中的一些状态和变量数据等。所以说,Swap空间是“匿名”数据的交换空间。   突破128M Swap限制   经常看到有些Linux(国内汉化版)安装手册上有这样的说明:Swap空间不能超过128M。为什么会有这种说法?在说明“128M”这个数字的来历之前,先给问题一个回答:现在根本不存在128M的限制!现在的限制是2G!   Swap空间是分页的,每一页的大小和内存页的大小一样,方便Swap空间和内存之间的数据交换。旧版本的Linux实现Swap空间时,用Swap空间的第一页作为所有Swap空间页的一个“位映射”(Bit map)。这就是说第一页的每一位,都对应着一页Swap空间。如果这一位是1,表示此页Swap可用;如果是0,表示此页是坏块,不能使用。这么说来,第一个Swap映射位应该是0,因为,第一页Swap是映射页。另外,最后10个映射位也被占用,用来表示Swap的版本(原来的版本是Swap_space ,现在的版本是swapspace2)。那么,如果说一页的大小为s,这种Swap的实现方法共能管理“8 * ( s - 10 ) - 1”个Swap页。对于i386系统来说s=4096,则空间大小共为133890048,如果认为1 MB=2^20 Byte的话,大小正好为128M。   之所以这样来实现Swap空间的管理,是要防止Swap空间中有坏块。如果系统检查到Swap中有坏块,则在相应的位映射上标记上0,表示此页不可用。这样在使用Swap时,不至于用到坏块,而使系统产生错误。   现在的系统设计者认为:   1.现在硬盘质量很好,坏块很少。   2.就算有,也不多,只需要将坏块罗列出来,而不需要为每一页建立映射。   3.如果有很多坏块,就不应该将此硬盘作为Swap空间使用。   于是,现在的Linux取消了位映射的方法,也就取消了128M的限制。直接用地址访问,限制为2G。   Swap配置对性能的影响   分配太多的Swap空间会浪费磁盘空间,而Swap空间太少,则系统会发生错误。   如果系统的物理内存用光了,系统就会跑得很慢,但仍能运行;如果Swap空间用光了,那么系统就会发生错误。例如,Web服务器能根据不同的请求数量衍生出多个服务进程(或线程),如果Swap空间用完,则服务进程无法启动,通常会出现“application is out of memory”的错误,严重时会造成服务进程的死锁。因此Swap空间的分配是很重要的。   通常情况下,Swap空间应大于或等于物理内存的大小,最小不应小于64M,通常Swap空间的大小应是物理内存的2-2.5倍。但根据不同的应用,应有不同的配置:如果是小的桌面系统,则只需要较小的Swap空间,而大的服务器系统则视情况不同需要不同大小的Swap空间。特别是数据库服务器和Web服务器,随着访问量的增加,对Swap空间的要求也会增加,具体配置参见各服务器产品的说明。   另外,Swap分区的数量对性能也有很大的影响。因为Swap交换的操作是磁盘IO的操作,如果有多个Swap交换区,Swap空间的分配会以轮流的方式操作于所有的Swap,这样会大大均衡IO的负载,加快Swap交换的速度。如果只有一个交换区,所有的交换操作会使交换区变得很忙,使系统大多数时间处于等待状态,效率很低。用性能监视工具就会发现,此时的CPU并不很忙,而系统却慢。这说明,瓶颈在IO上,依靠提高CPU的速度是解决不了问题的。   系统性能监视   Swap空间的分配固然很重要,而系统运行时的性能监控却更加有价值。通过性能监视工具,可以检查系统的各项性能指标,找到系统性能的瓶颈。本文只介绍一下在Solaris下和Swap相关的一些命令和用途。   最常用的是Vmstat命令(在大多数Unix平台下都有这样一些命令),此命令可以查看大多数性能指标。   例如:   # vmstat 3   procs memory swap io system cpu   r b w swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id   0 0 0 0 93880 3304 19372 0 0 10 2 131 10 0 0 99   0 0 0 0 93880 3304 19372 0 0 0 0 109 8 0 0 100   0 0 0 0 93880 3304 19372 0 0 0 0 112 6 0 0 100   …………   命令说明:   vmstat 后面的参数指定了性能指标捕获的时间间隔。3表示每三秒钟捕获一次。第一行数据不用看,没有价值,它仅反映开机以来的平均性能。从第二行开始,反映每三秒钟之内的系统性能指标。这些性能指标中和Swap有关的包括以下几项:   procs下的w   它表示当前(三秒钟之内)需要释放内存、交换出去的进程数量。   memory下的swpd   它表示使用的Swap空间的大小。   Swap下的si,so   si表示当前(三秒钟之内)每秒交换回内存(Swap in)的总量,单位为kbytes;so表示当前(三秒钟之内)每秒交换出内存(Swap out)的总量,单位为kbytes。   以上的指标数量越大,表示系统越忙。这些指标所表现的系统繁忙程度,与系统具体的配置有关。系统管理员应该在平时系统正常运行时,记下这些指标的数值,在系统发生问题的时候,再进行比较,就会很快发现问题,并制定本系统正常运行的标准指标值,以供性能监控使用。   另外,使用Swapon-s也能简单地查看当前Swap资源的使用情况。例如:   # swapon -s   Filename Type Size Used Priority   /dev/hda9 partition 361420 0 3   能够方便地看出Swap空间的已用和未用资源的大小。   应该使Swap负载保持在30%以下,这样才能保证系统的良好性能。   有关Swap操作的系统命令   增加Swap空间,分以下几步:   1)成为超级用户   $su - root   2)创建Swap文件   # dd if=/dev/zero of=swapfile bs=1024 count=65536   创建一个有连续空间的交换文件。   3)激活Swap文件   #/usr/sbin/swapon swapfile   swapfile指的是上一步创建的交换文件。 4)现在新加的Swap文件已经起作用了,但系统重新启动以后,并不会记住前几步的操作。因此要在/etc/fstab文件中记录文件的名字,和Swap类型,如:   /path/swapfile none Swap sw,pri=3 0 0   5)检验Swap文件是否加上   /usr/sbin/swapon -s   删除多余的Swap空间。   1)成为超级用户   2)使用Swapoff命令收回Swap空间。   #/usr/sbin/swapoff swapfile   3)编辑/etc/fstab文件,去掉此Swap文件的实体。   4)从文件系统中回收此文件。   #rm swapfile   5)当然,如果此Swap空间不是一个文件,而是一个分区,则需创建一个新的文件系统,再挂接到原来的文件系统上。

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