嵌入式Linux的Swap交換區(qū)剖析

??????? 嵌入式linux中文站向大家介紹一下swap分區(qū)的概念。Swap，即交換區(qū)，除了安裝Linux的時(shí)候，有多少人關(guān)心過(guò)它呢?其實(shí)，Swap的調(diào)整對(duì)Linux服務(wù)器，特別是Web服務(wù)器的性能至關(guān)重要。通過(guò)調(diào)整Swap，有時(shí)可以越過(guò)系統(tǒng)性能瓶頸，節(jié)省系統(tǒng)升級(jí)費(fèi)用。

　　Swap的原理是一個(gè)較復(fù)雜的問(wèn)題，需要大量的篇幅來(lái)說(shuō)明。在這里只作簡(jiǎn)單的介紹，在以后的文章中將和大家詳細(xì)討論Swap實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。

　　眾所周知，現(xiàn)代操作系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)了“虛擬內(nèi)存”這一技術(shù)，不但在功能上突破了物理內(nèi)存的限制，使程序可以操縱大于實(shí)際物理內(nèi)存的空間，更重要的是，“虛擬內(nèi)存”是隔離每個(gè)進(jìn)程的安全保護(hù)網(wǎng)，使每個(gè)進(jìn)程都不受其它程序的干擾。

　　Swap空間的作用可簡(jiǎn)單描述為：當(dāng)系統(tǒng)的物理內(nèi)存不夠用的時(shí)候，就需要將物理內(nèi)存中的一部分空間釋放出來(lái)，以供當(dāng)前運(yùn)行的程序使用。那些被釋放的空間可能來(lái)自一些很長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有什么操作的程序，這些被釋放的空間被臨時(shí)保存到Swap空間中，等到那些程序要運(yùn)行時(shí)，再?gòu)腟wap中恢復(fù)保存的數(shù)據(jù)到內(nèi)存中。這樣，系統(tǒng)總是在物理內(nèi)存不夠時(shí)，才進(jìn)行Swap交換。

　　計(jì)算機(jī)用戶會(huì)經(jīng)常遇這種現(xiàn)象。例如，在使用Windows系統(tǒng)時(shí)，可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序，當(dāng)你切換到一個(gè)很長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有理會(huì)的程序時(shí)，會(huì)聽(tīng)到硬盤 “嘩嘩”直響。這是因?yàn)檫@個(gè)程序的內(nèi)存被那些頻繁運(yùn)行的程序給“偷走”了，放到了Swap區(qū)中。因此，一旦此程序被放置到前端，它就會(huì)從Swap區(qū)取回自己的數(shù)據(jù)，將其放進(jìn)內(nèi)存，然后接著運(yùn)行。

　　需要說(shuō)明一點(diǎn)，并不是所有從物理內(nèi)存中交換出來(lái)的數(shù)據(jù)都會(huì)被放到Swap中(如果這樣的話，Swap就會(huì)不堪重負(fù))，有相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)據(jù)被直接交換到文件系統(tǒng)。例如，有的程序會(huì)打開一些文件，對(duì)文件進(jìn)行讀寫(其實(shí)每個(gè)程序都至少要打開一個(gè)文件，那就是運(yùn)行程序本身)，當(dāng)需要將這些程序的內(nèi)存空間交換出去時(shí)，就沒(méi)有必要將文件部分的數(shù)據(jù)放到Swap空間中了，而可以直接將其放到文件里去。如果是讀文件操作，那么內(nèi)存數(shù)據(jù)被直接釋放，不需要交換出來(lái)，因?yàn)橄麓涡枰獣r(shí)，可直接從文件系統(tǒng)恢復(fù);如果是寫文件，只需要將變化的數(shù)據(jù)保存到文件中，以便恢復(fù)。但是那些用malloc和new函數(shù)生成的對(duì)象的數(shù)據(jù)則不同，它們需要Swap空間，因?yàn)樗鼈冊(cè)谖募到y(tǒng)中沒(méi)有相應(yīng)的“儲(chǔ)備”文件，因此被稱作“匿名”(Anonymous)內(nèi)存數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)還包括堆棧中的一些狀態(tài)和變量數(shù)據(jù)等。所以說(shuō)，Swap空間是“匿名”數(shù)據(jù)的交換空間。

　　突破128M Swap限制

　　經(jīng)常看到有些Linux(國(guó)內(nèi)漢化版)安裝手冊(cè)上有這樣的說(shuō)明：Swap空間不能超過(guò)128M。為什么會(huì)有這種說(shuō)法?在說(shuō)明“128M”這個(gè)數(shù)字的來(lái)歷之前，先給問(wèn)題一個(gè)回答：現(xiàn)在根本不存在128M的限制!現(xiàn)在的限制是2G!

　　Swap空間是分頁(yè)的，每一頁(yè)的大小和內(nèi)存頁(yè)的大小一樣，方便Swap空間和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換。舊版本的Linux實(shí)現(xiàn)Swap空間時(shí)，用 Swap空間的第一頁(yè)作為所有Swap空間頁(yè)的一個(gè)“位映射”(Bit map)。這就是說(shuō)第一頁(yè)的每一位，都對(duì)應(yīng)著一頁(yè)Swap空間。如果這一位是1，表示此頁(yè)Swap可用;如果是0，表示此頁(yè)是壞塊，不能使用。這么說(shuō)來(lái)，第一個(gè)Swap映射位應(yīng)該是0，因?yàn)?，第一?yè)Swap是映射頁(yè)。另外，最后10個(gè)映射位也被占用，用來(lái)表示Swap的版本(原來(lái)的版本是 Swap_space ，現(xiàn)在的版本是swapspace2)。那么，如果說(shuō)一頁(yè)的大小為s，這種Swap的實(shí)現(xiàn)方法共能管理“8 * ( s - 10 ) - 1”個(gè)Swap頁(yè)。對(duì)于i386系統(tǒng)來(lái)說(shuō)s=4096，則空間大小共為133890048，如果認(rèn)為1 MB=2^20 Byte的話，大小正好為128M。

　　之所以這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)Swap空間的管理，是要防止Swap空間中有壞塊。如果系統(tǒng)檢查到Swap中有壞塊，則在相應(yīng)的位映射上標(biāo)記上0，表示此頁(yè)不可用。這樣在使用Swap時(shí)，不至于用到壞塊，而使系統(tǒng)產(chǎn)生錯(cuò)誤。

　　現(xiàn)在的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者認(rèn)為：

　　1.現(xiàn)在硬盤質(zhì)量很好，壞塊很少。

　　2.就算有，也不多，只需要將壞塊羅列出來(lái)，而不需要為每一頁(yè)建立映射。

　　3.如果有很多壞塊，就不應(yīng)該將此硬盤作為Swap空間使用。

　　于是，現(xiàn)在的Linux取消了位映射的方法，也就取消了128M的限制。直接用地址訪問(wèn)，限制為2G。

　　Swap配置對(duì)性能的影響

　　分配太多的Swap空間會(huì)浪費(fèi)磁盤空間，而Swap空間太少，則系統(tǒng)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。 如果系統(tǒng)的物理內(nèi)存用光了，系統(tǒng)就會(huì)跑得很慢，但仍能運(yùn)行;如果Swap空間用光了，那么系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。例如，Web服務(wù)器能根據(jù)不同的請(qǐng)求數(shù)量衍生出多個(gè)服務(wù)進(jìn)程(或線程)，如果Swap空間用完，則服務(wù)進(jìn)程無(wú)法啟動(dòng)，通常會(huì)出現(xiàn)“application is out of memory”的錯(cuò)誤，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成服務(wù)進(jìn)程的死鎖。因此Swap空間的分配是很重要的。

通常情況下，Swap空間應(yīng)大于或等于物理內(nèi)存的大小，最小不應(yīng)小于64M，通常Swap空間的大小應(yīng)是物理內(nèi)存的2-2.5倍。但根據(jù)不同的應(yīng)用，應(yīng)有不同的配置：如果是小的桌面系統(tǒng)，則只需要較小的Swap空間，而大的服務(wù)器系統(tǒng)則視情況不同需要不同大小的Swap空間。特別是數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和 Web服務(wù)器，隨著訪問(wèn)量的增加，對(duì)Swap空間的要求也會(huì)增加，具體配置參見(jiàn)各服務(wù)器產(chǎn)品的說(shuō)明。

　　另外，Swap分區(qū)的數(shù)量對(duì)性能也有很大的影響。因?yàn)镾wap交換的操作是磁盤IO的操作，如果有多個(gè)Swap交換區(qū)，Swap空間的分配會(huì)以輪流的方式操作于所有的Swap，這樣會(huì)大大均衡IO的負(fù)載，加快Swap交換的速度。如果只有一個(gè)交換區(qū)，所有的交換操作會(huì)使交換區(qū)變得很忙，使系統(tǒng)大多數(shù)時(shí)間處于等待狀態(tài)，效率很低。用性能監(jiān)視工具就會(huì)發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的CPU并不很忙，而系統(tǒng)卻慢。這說(shuō)明，瓶頸在IO上，依靠提高CPU的速度是解決不了問(wèn)題的。

　　系統(tǒng)性能監(jiān)視

　　Swap空間的分配固然很重要，而系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的性能監(jiān)控卻更加有價(jià)值。通過(guò)性能監(jiān)視工具，可以檢查系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，找到系統(tǒng)性能的瓶頸。本文只介紹一下在Solaris下和Swap相關(guān)的一些命令和用途。

　　最常用的是Vmstat命令(在大多數(shù)Unix平臺(tái)下都有這樣一些命令)，此命令可以查看大多數(shù)性能指標(biāo)。

　　例如：

　　命令說(shuō)明：

　　vmstat 后面的參數(shù)指定了性能指標(biāo)捕獲的時(shí)間間隔。3表示每三秒鐘捕獲一次。第一行數(shù)據(jù)不用看，沒(méi)有價(jià)值，它僅反映開機(jī)以來(lái)的平均性能。從第二行開始，反映每三秒鐘之內(nèi)的系統(tǒng)性能指標(biāo)。這些性能指標(biāo)中和Swap有關(guān)的包括以下幾項(xiàng)：

　　procs下的w

　　它表示當(dāng)前(三秒鐘之內(nèi))需要釋放內(nèi)存、交換出去的進(jìn)程數(shù)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(dāng)前(三秒鐘之內(nèi))每秒交換回內(nèi)存(Swap in)的總量，單位為kbytes;so表示當(dāng)前(三秒鐘之內(nèi))每秒交換出內(nèi)存(Swap out)的總量，單位為kbytes。

　　以上的指標(biāo)數(shù)量越大，表示系統(tǒng)越忙。這些指標(biāo)所表現(xiàn)的系統(tǒng)繁忙程度，與系統(tǒng)具體的配置有關(guān)。系統(tǒng)管理員應(yīng)該在平時(shí)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，記下這些指標(biāo)的數(shù)值，在系統(tǒng)發(fā)生問(wèn)題的時(shí)候，再進(jìn)行比較，就會(huì)很快發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并制定本系統(tǒng)正常運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)值，以供性能監(jiān)控使用。

　　另外，使用Swapon-s也能簡(jiǎn)單地查看當(dāng)前Swap資源的使用情況。例如：

能夠方便地看出Swap空間的已用和未用資源的大小。

　　應(yīng)該使Swap負(fù)載保持在30%以下，這樣才能保證系統(tǒng)的良好性能。

　　有關(guān)Swap操作的系統(tǒng)命令

　　增加Swap空間，分以下幾步：

　　1)成為超級(jí)用戶

　　$su - root

　　2)創(chuàng)建Swap文件

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

　　創(chuàng)建一個(gè)有連續(xù)空間的交換文件。

　　3)激活Swap文件

　　#/usr/sbin/swapon swapfile

　　swapfile指的是上一步創(chuàng)建的交換文件。 4)現(xiàn)在新加的Swap文件已經(jīng)起作用了，但系統(tǒng)重新啟動(dòng)以后，并不會(huì)記住前幾步的操作。因此要在/etc/fstab文件中記錄文件的名字，和Swap類型，如：

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

　　5)檢驗(yàn)Swap文件是否加上

　　/usr/sbin/swapon -s

　　刪除多余的Swap空間。

　　1)成為超級(jí)用戶

　　2)使用Swapoff命令收回Swap空間。

　　#/usr/sbin/swapoff swapfile

　　3)編輯/etc/fstab文件，去掉此Swap文件的實(shí)體。

　　4)從文件系統(tǒng)中回收此文件。

　　#rm swapfile

　　5)當(dāng)然，如果此Swap空間不是一個(gè)文件，而是一個(gè)分區(qū)，則需創(chuàng)建一個(gè)新的文件系統(tǒng)，再掛接到原來(lái)的文件系統(tǒng)上。