本文讨論的 swap基于Linux4.4内核代碼 。Linux内存管理是一套非常複雜的系統，而swap隻是其中一個很小的處理邏輯。主要是：swap、swappiness及kswapd原理，swap分區優先級的妙用。

解決以下問題：

1、 swap到底是幹嘛的？

2、 什麼是内存水位标記？

3、 swap分區的優先級（prIOrity）有啥用？

我們一般所說的swap，指的是一個交換分區或文件。在Linux上可以使用swapon -s命令查看當前系統上正在使用的交換空間有哪些，以及相關信息：

$ swapon -s filename Type Size Used Priority /dev/dm-4 partition 33554428 0 -1

從功能上講，交換分區主要是在内存不夠用的時候，将部分内存上的數據交換到swap空間上，以便讓系統不會因内存不夠用而導緻oom或者更緻命的情況出現。

所以，當内存使用存在壓力，開始觸發内存回收的行為時，就可能會使用swap空間。

内核對swap的使用實際上是跟内存回收行為緊密結合的。那麼關于内存回收和swap的關系，我們需要思考以下幾個問題：

1. 為什麼要進行内存回收？
2. 哪些内存可能會被回收呢？
3. 回收的過程中什麼時候會進行交換呢？
4. 具體怎麼交換？

下面我們就從這些問題出發，一個一個進行分析。

為什麼要進行内存回收？

根據這個enum可以看到，内存回收主要需要進行掃描的鍊表有如下4個：

• anon的inactive
• anon的active
• file的inactive
• file的active

就是說，内存回收操作主要針對的就是内存中的文件頁（file cache）和匿名頁。

關于活躍（active）還是不活躍（inactive）的判斷内核會使用lru算法進行處理并進行标記，我們這裡不詳細解釋這個過程。

整個掃描的過程分幾個循環：

1. 首先掃描每個zone上的cgroup組；
2. 然後再以cgroup的内存為單元進行page鍊表的掃描；
3. 内核會先掃描anon的active鍊表，将不頻繁的放進inactive鍊表中，然後掃描inactive鍊表，将裡面活躍的移回active中；

4.進行swap的時候，先對inactive的頁進行換出；

5.如果是file的文件映射page頁，則判斷其是否為髒數據，如果是髒數據就寫回，不是髒數據可以直接釋放。

這樣看來， 内存回收這個行為會對兩種内存的使用進行回收:

• 一種是anon的匿名頁内存，主要回收手段是swap；
• 另一種是file-backed的文件映射頁，主要的釋放手段是寫回和清空。

因為針對filebased的内存，沒必要進行交換，其數據原本就在硬盤上，回收這部分内存隻要在有髒數據時寫回，并清空内存就可以了，以後有需要再從對應的文件讀回來。

内存對匿名頁和文件緩存一共用了 四條鍊表 進行組織，回收過程主要是針對這四條鍊表進行掃描和操作。

那麼如何描述内存使用的壓力呢？

Linux内核使用水位标記（watermark）的概念來描述這個壓力情況。

Linux為内存的使用設置了三種内存水位标記:high、low、min。他們 所标記的含義分别為：

• 剩餘内存在high以上表示内存剩餘較多，目前内存使用壓力不大；
• high-low的範圍表示目前剩餘内存存在一定壓力；
• low-min表示内存開始有較大使用壓力，剩餘内存不多了；
• min是最小的水位标記，當剩餘内存達到這個狀态時，就說明内存面臨很大壓力。
• 小于min這部分内存，内核是保留給特定情況下使用的，一般不會分配。

内存回收行為就是基于剩餘内存的水位标記進行決策的：

當系統剩餘内存低于watermark[low]的時候，内核的kswapd開始起作用，進行内存回收。直到剩餘内存達到watermark[high]的時候停止。

如果内存消耗導緻剩餘内存達到了或超過了watermark[min]時，就會觸發直接回收（direct reclaim）。

明白了水位标記的概念之後，zonefile zonefree <= high_wmark_pages(zone)這個公式就能理解了。

這裡的zonefile相當于内存中文件映射的總量，zonefree相當于剩餘内存的總量。

内核一般認為，如果zonefile還有的話，就可以盡量通過清空文件緩存獲得部分内存，而不必隻使用swap方式對anon的内存進行交換。

整個判斷的概念是說，在全局回收的狀态下（有global_reclaim(sc)标記），如果當前的文件映射内存總量 剩餘内存總量的值評估小于等于watermark[high]标記的時候，就可以進行直接swap了。

這樣是為了防止進入cache陷阱，具體描述可以見代碼注釋。

這個判斷對系統的影響是， swappiness設置為0時，有剩餘内存的情況下也可能發生交換。

swap的相關操縱命令

可以使用mkswap将一個分區或者文件創建成swap空間。swapon可以查看當前的swap空間和啟用一個swap分區或者文件。swapoff可以關閉swap空間。

我們使用一個文件的例子來演示一下整個操作過程：

制作swap文件：

啟用swap文件：

關閉swap空間：

在使用多個swap分區或者文件的時候，還有一個優先級的概念（Priority）。

在swapon的時候，我們可以使用-p參數指定相關swap空間的優先級， 值越大優先級越高 ，可以指定的數字範圍是－1到32767。

内核在使用swap空間的時候總是先使用優先級高的空間，後使用優先級低的。

當然如果把多個swap空間的優先級設置成一樣的，那麼兩個swap空間将會以輪詢方式并行進行使用。

如果兩個swap放在兩個不同的硬盤上，相同的優先級可以起到類似RAID0的效果，增大swap的讀寫效率。

另外，編程時使用mlock()也可以将指定的内存标記為不會換出，具體幫助可以參考man 2 mlock。

關于swap的使用建議，針對不同負載狀态的系統是不一樣的。有時我們希望swap大一些，可以在内存不夠用的時候不至于觸發oom-killer導緻某些關鍵進程被殺掉，比如數據庫業務。

也有時候我們希望不要swap，因為當大量進程爆發增長導緻内存爆掉之後，會因為swap導緻IO跑死，整個系統都卡住，無法登錄，無法處理。

這時候我們就希望不要swap，即使出現oom-killer也造成不了太大影響，但是不能允許服務器因為IO卡死像多米諾骨牌一樣全部死機，而且無法登陸。跑cpu運算的無狀态的apache就是類似這樣的進程池架構的程序。

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