Linux 系統(tǒng)中的第二種內(nèi)存類型--交換空間
無論什么操作系統(tǒng)交換Swap空間是非常常見的。Linux 使用交換空間來增加主機(jī)可用的虛擬內(nèi)存。它可以在常規(guī)文件或邏輯卷上使用一個(gè)或多個(gè)專用交換分區(qū)或交換文件。
典型計(jì)算機(jī)中有兩種基本類型的內(nèi)存。第一種類型，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (RAM)，用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)使用的數(shù)據(jù)和程序。只有程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 RAM 中，計(jì)算機(jī)才能使用它們。隨機(jī)存儲(chǔ)器是易失性存儲(chǔ)器；也就是說，如果計(jì)算機(jī)關(guān)閉了，存儲(chǔ)在 RAM 中的數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。
硬盤是用于長期存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序的磁性介質(zhì)。該磁介質(zhì)可以很好的保存數(shù)據(jù)；即使計(jì)算機(jī)斷電，存儲(chǔ)在磁盤上的數(shù)據(jù)也會(huì)保留下來。CPU（中央處理器）不能直接訪問硬盤上的程序和數(shù)據(jù)；它們必須首先復(fù)制到 RAM 中，RAM 是 CPU 訪問代碼指令和操作數(shù)據(jù)的地方。在引導(dǎo)過程中，計(jì)算機(jī)將特定的操作系統(tǒng)程序（如內(nèi)核、init 或 systemd）以及硬盤上的數(shù)據(jù)復(fù)制到 RAM 中，在 RAM 中，計(jì)算機(jī)的處理器 CPU 可以直接訪問這些數(shù)據(jù)。
交換空間
交換空間是現(xiàn)代 Linux 系統(tǒng)中的第二種內(nèi)存類型。交換空間的主要功能是當(dāng)全部的 RAM 被占用并且需要更多內(nèi)存時(shí)，用磁盤空間代替 RAM 內(nèi)存。
例如，假設(shè)你有一個(gè) 8GB RAM 的計(jì)算機(jī)。如果你啟動(dòng)的程序沒有填滿 RAM，一切都好，不需要交換。假設(shè)你在處理電子表格，當(dāng)添加更多的行時(shí)，你電子表格會(huì)增長，加上所有正在運(yùn)行的程序，將會(huì)占用全部的 RAM 。如果這時(shí)沒有可用的交換空間，你將不得不停止處理電子表格，直到關(guān)閉一些其他程序來釋放一些 RAM 。
內(nèi)核使用一個(gè)內(nèi)存管理程序來檢測最近沒有使用的內(nèi)存塊（內(nèi)存頁）。內(nèi)存管理程序?qū)⑦@些相對不經(jīng)常使用的內(nèi)存頁交換到硬盤上專門指定用于“分頁”或交換的特殊分區(qū)。這會(huì)釋放 RAM，為輸入電子表格更多數(shù)據(jù)騰出了空間。那些換出到硬盤的內(nèi)存頁面被內(nèi)核的內(nèi)存管理代碼跟蹤，如果需要，可以被分頁回 RAM。
Linux 計(jì)算機(jī)中的內(nèi)存總量是 RAM + 交換分區(qū)，交換分區(qū)被稱為虛擬內(nèi)存.
Linux 交換分區(qū)類型
Linux 提供了兩種類型的交換空間。默認(rèn)情況下，大多數(shù) Linux 在安裝時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)交換分區(qū)，但是也可以使用一個(gè)特殊配置的文件作為交換文件。交換分區(qū)顧名思義就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)磁盤分區(qū)，由?mkswap?命令指定交換空間。
如果沒有可用磁盤空間來創(chuàng)建新的交換分區(qū)，或者卷組中沒有空間為交換空間創(chuàng)建邏輯卷，則可以使用交換文件。這只是一個(gè)創(chuàng)建好并預(yù)分配指定大小的常規(guī)文件。然后運(yùn)行?mkswap命令將其配置為交換空間。除非絕對必要，否則我不建議使用文件來做交換空間。（LCTT 譯注：Ubuntu 近來的版本采用了交換文件而非交換空間，所以我對于這種說法保留看法）
頻繁交換
當(dāng)總虛擬內(nèi)存（RAM 和交換空間）變得快滿時(shí)，可能會(huì)發(fā)生頻繁交換。系統(tǒng)花了太多時(shí)間在交換空間和 RAM 之間做內(nèi)存塊的頁面切換，以至于幾乎沒有時(shí)間用于實(shí)際工作。這種情況的典型癥狀是：系統(tǒng)變得緩慢或完全無反應(yīng)，硬盤指示燈幾乎持續(xù)亮起。
使用?free?的命令來顯示 CPU 負(fù)載和內(nèi)存使用情況，你會(huì)發(fā)現(xiàn) CPU 負(fù)載非常高，可能達(dá)到系統(tǒng)中 CPU 內(nèi)核數(shù)量的 30 到 40 倍。另一個(gè)情況是 RAM 和交換空間幾乎完全被分配了。
事實(shí)上，查看 SAR（系統(tǒng)活動(dòng)報(bào)告）數(shù)據(jù)也可以顯示這些內(nèi)容。在我的每個(gè)系統(tǒng)上都安裝 SAR ，并將這些用于數(shù)據(jù)分析。
交換空間的正確大小是多少？
許多年前，硬盤上分配給交換空間大小是計(jì)算機(jī)上的 RAM 的兩倍（當(dāng)然，這是大多數(shù)計(jì)算機(jī)的 RAM 以 KB 或 MB 為單位的時(shí)候）。因此，如果一臺(tái)計(jì)算機(jī)有 64KB 的 RAM，應(yīng)該分配 128KB 的交換分區(qū)。該規(guī)則考慮到了這樣的事實(shí)情況，即 RAM 大小在當(dāng)時(shí)非常小，分配超過 2 倍的 RAM 用于交換空間并不能提高性能。使用超過兩倍的 RAM 進(jìn)行交換，比實(shí)際執(zhí)行有用的工作的時(shí)候，大多數(shù)系統(tǒng)將花費(fèi)更多的時(shí)間。
RAM 現(xiàn)在已經(jīng)很便宜了，如今大多數(shù)計(jì)算機(jī)的 RAM 都達(dá)到了幾十億字節(jié)。我的大多數(shù)新電腦至少有 8GB 內(nèi)存，一臺(tái)有 32GB 內(nèi)存，我的主工作站有 64GB 內(nèi)存。我的舊電腦有 4 到 8GB 的內(nèi)存。
當(dāng)操作具有大量 RAM 的計(jì)算機(jī)時(shí)，交換空間的限制性能系數(shù)遠(yuǎn)低于 2 倍。Fedora 28 在線安裝指南?定義了當(dāng)前關(guān)于交換空間分配的方法。下面內(nèi)容是我提出的建議。
下表根據(jù)系統(tǒng)中的 RAM 大小以及是否有足夠的內(nèi)存讓系統(tǒng)休眠，提供了交換分區(qū)的推薦大小。建議的交換分區(qū)大小是在安裝過程中自動(dòng)建立的。但是，為了滿足系統(tǒng)休眠，您需要在自定義分區(qū)階段編輯交換空間。
表 1: Fedora 28 文檔中推薦的系統(tǒng)交換空間
| 系統(tǒng)內(nèi)存大小 | 推薦的交換空間 | 推薦的交換空間大?。ㄖС中菝吣Ｊ剑?/th> |
|---|---|---|
| 小于 2 GB | 2 倍 RAM | 3 倍 RAM |
| 2 GB – 8 GB | 等于 RAM 大小 | 2 倍 RAM |
| 8 GB – 64 GB | 0.5 倍 RAM | 1.5 倍 RAM |
| 大于 64 GB | 工作量相關(guān) | 不建議休眠模式 |
在上面列出的每個(gè)范圍之間的邊界(例如，具有 2GB、8GB 或 64GB 的系統(tǒng) RAM)，請根據(jù)所選交換空間和支持休眠功能請謹(jǐn)慎使用。如果你的系統(tǒng)資源允許，增加交換空間可能會(huì)帶來更好的性能。
當(dāng)然，大多數(shù) Linux 管理員對多大的交換空間量有自己的想法。下面的表2 包含了基于我在多種環(huán)境中的個(gè)人經(jīng)歷所做出的建議。這些可能不適合你，但是和表 1 一樣，它們可能對你有所幫助。
表 2: 作者推薦的系統(tǒng)交換空間
| RAM 大小 | 推薦的交換空間 |
|---|---|
| ≤ 2GB | 2X RAM |
| 2GB – 8GB | = RAM |
| >8GB | 8GB |
這兩個(gè)表中共同點(diǎn)，隨著 RAM 數(shù)量的增加，超過某一點(diǎn)增加更多交換空間只會(huì)導(dǎo)致在交換空間幾乎被全部使用之前就發(fā)生頻繁交換。根據(jù)以上建議，則應(yīng)盡可能添加更多 RAM，而不是增加更多交換空間。如類似影響系統(tǒng)性能的情況一樣，請使用最適合你的建議。根據(jù) Linux 環(huán)境中的條件進(jìn)行測試和更改是需要時(shí)間和精力的。
向非 LVM 磁盤環(huán)境添加更多交換空間
面對已安裝 Linux 的主機(jī)并對交換空間的需求不斷變化，有時(shí)有必要修改系統(tǒng)定義的交換空間的大小。此過程可用于需要增加交換空間大小的任何情況。它假設(shè)有足夠的可用磁盤空間。此過程還假設(shè)磁盤分區(qū)為 “原始的” EXT4 和交換分區(qū)，而不是使用邏輯卷管理（LVM）。
基本步驟很簡單:
關(guān)閉現(xiàn)有的交換空間。
創(chuàng)建所需大小的新交換分區(qū)。
重讀分區(qū)表。
將分區(qū)配置為交換空間。
添加新分區(qū)到?/etc/fstab。
打開交換空間。
應(yīng)該不需要重新啟動(dòng)機(jī)器。
為了安全起見，在關(guān)閉交換空間前，至少你應(yīng)該確保沒有應(yīng)用程序在運(yùn)行，也沒有交換空間在使用。free?或?top?命令可以告訴你交換空間是否在使用中。為了更安全，您可以恢復(fù)到運(yùn)行級別 1 或單用戶模式。
使用關(guān)閉所有交換空間的命令關(guān)閉交換分區(qū)：
1 | swapoff -a |
現(xiàn)在查看硬盤上的現(xiàn)有分區(qū)。
1 | fdisk -l |
這將顯示每個(gè)驅(qū)動(dòng)器上的分區(qū)表。按編號(hào)標(biāo)識(shí)當(dāng)前的交換分區(qū)。
使用以下命令在交互模式下啟動(dòng)?fdisk：
1 | fdisk /dev/<device name> |
例如：
1 | fdisk /dev/sda |
此時(shí)，fdisk?是交互方式的，只在指定的磁盤驅(qū)動(dòng)器上進(jìn)行操作。
使用?fdisk?的?p?子命令驗(yàn)證磁盤上是否有足夠的可用空間來創(chuàng)建新的交換分區(qū)。硬盤上的空間以 512 字節(jié)的塊以及起始和結(jié)束柱面編號(hào)的形式顯示，因此您可能需要做一些計(jì)算來確定分配分區(qū)之間和末尾的可用空間。
使用?n?子命令創(chuàng)建新的交換分區(qū)。fdisk?會(huì)問你開始柱面。默認(rèn)情況下，它選擇編號(hào)最低的可用柱面。如果你想改變這一點(diǎn)，輸入開始柱面的編號(hào)。
fdisk?命令允許你以多種格式輸入分區(qū)的大小，包括最后一個(gè)柱面號(hào)或字節(jié)、KB 或 MB 的大小。例如，鍵入 4000M ，這將在新分區(qū)上提供大約 4GB 的空間，然后按回車鍵。
使用?p?子命令來驗(yàn)證分區(qū)是否按照指定的方式創(chuàng)建的。請注意，除非使用結(jié)束柱面編號(hào)，否則分區(qū)可能與你指定的不完全相同。fdisk?命令只能在整個(gè)柱面上增量的分配磁盤空間，因此你的分區(qū)可能比你指定的稍小或稍大。如果分區(qū)不是您想要的，你可以刪除它并重新創(chuàng)建它。
現(xiàn)在指定新分區(qū)是交換分區(qū)了 。子命令?t?允許你指定定分區(qū)的類型。所以輸入?t，指定分區(qū)號(hào)，當(dāng)它要求十六進(jìn)制分區(qū)類型時(shí)，輸入?82，這是 Linux 交換分區(qū)類型，然后按回車鍵。
當(dāng)你對創(chuàng)建的分區(qū)感到滿意時(shí)，使用?w?子命令將新的分區(qū)表寫入磁盤。fdisk?程序?qū)⑼顺?，并在完成修改后的分區(qū)表的編寫后返回命令提示符。當(dāng)?fdisk?完成寫入新分區(qū)表時(shí)，會(huì)收到以下消息:
1 2 3 4 5 6 | The partition table has been altered! Calling ioctl() to re-read partition table. WARNING: Re-reading the partition table failed with error 16: Device or resource busy. The kernel still uses the old table. The new table will be used at the next reboot. Syncing disks. |
此時(shí)，你使用?partprobe?命令強(qiáng)制內(nèi)核重新讀取分區(qū)表，這樣就不需要執(zhí)行重新啟動(dòng)機(jī)器。
1 | partprobe |
使用命令?fdisk -l?列出分區(qū)，新交換分區(qū)應(yīng)該在列出的分區(qū)中。確保新的分區(qū)類型是 “Linux swap”。
修改?/etc/fstab?文件以指向新的交換分區(qū)。如下所示：
1 | LABEL=SWAP-sdaX ? swap ? ? ? ?swap ? ?defaults ? ? ? ?0 0 |
其中?X?是分區(qū)號(hào)。根據(jù)新交換分區(qū)的位置，添加以下內(nèi)容：
1 | /dev/sdaY ? ? ? ? swap ? ? ? ?swap ? ?defaults ? ? ? ?0 0 |
請確保使用正確的分區(qū)號(hào)?，F(xiàn)在，可以執(zhí)行創(chuàng)建交換分區(qū)的最后一步。使用?mkswap?命令將分區(qū)定義為交換分區(qū)。
1 | mkswap /dev/sdaY |
最后一步是使用以下命令啟用交換空間：
1 | swapon -a |
你的新交換分區(qū)現(xiàn)在與以前存在的交換分區(qū)一起在線。您可以使用?free?或top?命令來驗(yàn)證這一點(diǎn)。
在 LVM 磁盤環(huán)境中添加交換空間
如果你的磁盤使用 LVM ，更改交換空間將相當(dāng)容易。同樣，假設(shè)當(dāng)前交換卷所在的卷組中有可用空間。默認(rèn)情況下，LVM 環(huán)境中的 Fedora Linux 在安裝過程將交換分區(qū)創(chuàng)建為邏輯卷。您可以非常簡單地增加交換卷的大小。
以下是在 LVM 環(huán)境中增加交換空間大小的步驟:
關(guān)閉所有交換空間。
增加指定用于交換空間的邏輯卷的大小。
為交換空間調(diào)整大小的卷配置。
啟用交換空間。
首先，讓我們使用?lvs?命令（列出邏輯卷）來驗(yàn)證交換空間是否存在以及交換空間是否是邏輯卷。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | [root@studentvm1 ~]# lvs ??LV???? VG????????????????Attr?????? LSize??Pool?? Origin Data%??Meta%??Move Log Cpy%Sync Convert ??home?? fedora_studentvm1 -wi-ao----??2.00g?????????????????????????????????????????????????????? ??pool00 fedora_studentvm1 twi-aotz--??2.00g?????????????? 8.17?? 2.93???????????????????????????? ??root?? fedora_studentvm1 Vwi-aotz--??2.00g pool00????????8.17?????????????????????????????????? ??swap?? fedora_studentvm1 -wi-ao----??8.00g?????????????????????????????????????????????????????? ??tmp????fedora_studentvm1 -wi-ao----??5.00g?????????????????????????????????????????????????????? ??usr????fedora_studentvm1 -wi-ao---- 15.00g?????????????????????????????????????????????????????? ??var????fedora_studentvm1 -wi-ao---- 10.00g?????????????????????????????????????????????????????? [root@studentvm1 ~]# |
你可以看到當(dāng)前的交換空間大小為 8GB。在這種情況下，我們希望將 2GB 添加到此交換卷中。首先，停止現(xiàn)有的交換空間。如果交換空間正在使用，終止正在運(yùn)行的程序。
1 | swapoff -a |
現(xiàn)在增加邏輯卷的大小。
1 2 3 4 | [root@studentvm1 ~]# lvextend -L +2G /dev/mapper/fedora_studentvm1-swap ? Size of logical volume fedora_studentvm1/swap changed from 8.00 GiB (2048 extents) to 10.00 GiB (2560 extents). ? Logical volume fedora_studentvm1/swap successfully resized. [root@studentvm1 ~]# |
運(yùn)行?mkswap?命令將整個(gè) 10GB 分區(qū)變成交換空間。
1 2 3 4 5 | [root@studentvm1 ~]# mkswap /dev/mapper/fedora_studentvm1-swap mkswap: /dev/mapper/fedora_studentvm1-swap: warning: wiping old swap signature. Setting up swapspace version 1, size = 10 GiB (10737414144 bytes) no label, UUID=3cc2bee0-e746-4b66-aa2d-1ea15ef1574a [root@studentvm1 ~]# |
重新啟用交換空間。
1 2 | [root@studentvm1 ~]# swapon -a [root@studentvm1 ~]# |
現(xiàn)在，使用?lsblk?命令驗(yàn)證新交換空間是否存在。同樣，不需要重新啟動(dòng)機(jī)器。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 | [root@studentvm1 ~]# lsblk NAME ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? MAJ:MIN RM ?SIZE RO TYPE MOUNTPOINT sda ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?8:0 ? ?0 ? 60G ?0 disk |-sda1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 8:1 ? ?0 ? ?1G ?0 part /boot `-sda2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 8:2 ? ?0 ? 59G ?0 part ? |-fedora_studentvm1-pool00_tmeta ? 253:0 ? ?0 ? ?4M ?0 lvm ? ? | `-fedora_studentvm1-pool00-tpool 253:2 ? ?0 ? ?2G ?0 lvm ? ? | ? |-fedora_studentvm1-root ? ? ? 253:3 ? ?0 ? ?2G ?0 lvm ?/ ? | ? `-fedora_studentvm1-pool00 ? ? 253:6 ? ?0 ? ?2G ?0 lvm ? ? |-fedora_studentvm1-pool00_tdata ? 253:1 ? ?0 ? ?2G ?0 lvm ? ? | `-fedora_studentvm1-pool00-tpool 253:2 ? ?0 ? ?2G ?0 lvm ? ? | ? |-fedora_studentvm1-root ? ? ? 253:3 ? ?0 ? ?2G ?0 lvm ?/ ? | ? `-fedora_studentvm1-pool00 ? ? 253:6 ? ?0 ? ?2G ?0 lvm ? ? |-fedora_studentvm1-swap ? ? ? ? ? 253:4 ? ?0 ? 10G ?0 lvm ?[SWAP] ? |-fedora_studentvm1-usr ? ? ? ? ? ?253:5 ? ?0 ? 15G ?0 lvm ?/usr ? |-fedora_studentvm1-home ? ? ? ? ? 253:7 ? ?0 ? ?2G ?0 lvm ?/home ? |-fedora_studentvm1-var ? ? ? ? ? ?253:8 ? ?0 ? 10G ?0 lvm ?/var ? `-fedora_studentvm1-tmp ? ? ? ? ? ?253:9 ? ?0 ? ?5G ?0 lvm ?/tmp sr0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 11:0 ? ?1 1024M ?0 rom ? [root@studentvm1 ~]# |
您也可以使用?swapon -s?命令或?top、free?或其他幾個(gè)命令來驗(yàn)證這一點(diǎn)。
1 2 3 4 5 | [root@studentvm1 ~]# free ? ? ? ? ? ? ? total ? ? ? ?used ? ? ? ?free ? ? ?shared ?buff/cache ? available Mem: ? ? ? ?4038808 ? ? ?382404 ? ? 2754072 ? ? ? ?4152 ? ? ?902332 ? ? 3404184 Swap: ? ? ?10485756 ? ? ? ? ? 0 ? ?10485756 [root@studentvm1 ~]# |
請注意，不同的命令以不同的形式顯示或要求輸入設(shè)備文件。在?/dev?目錄中訪問特定設(shè)備有多種方式。在我的文章?在 Linux 中管理設(shè)備?中有更多關(guān)于?/dev?目錄及其內(nèi)容說明。
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