上一節(jié)，我通過一個斐波那契數(shù)列的案例，帶你學習了內(nèi)存泄漏的分析。如果在程序中直接或間接地分配了動態(tài)內(nèi)存，你一定要記得釋放掉它們，否則就會導致內(nèi)存泄漏，嚴重時甚至會耗盡系統(tǒng)內(nèi)存。不過，反過來講，當發(fā)生了內(nèi)存泄漏時，或者運行了大內(nèi)存的應用程序，導致系統(tǒng)的內(nèi)存資源緊張時，系統(tǒng)又會如何應對呢？在內(nèi)存基礎篇我們已經(jīng)學過，這其實會導致兩種可能結果，內(nèi)存回收和 OOM 殺死進程。我們先來看后一個可能結果，內(nèi)存資源緊張導致的 OOM(Out Of Memory)，相對容易理解，指的是系統(tǒng)殺死占用大量內(nèi)存的進程，釋放這些內(nèi)存，再分配給其他更需要的進程。這一點我們前面詳細講過，這里就不再重復了。接下來再看第一個可能的結果，內(nèi)存回收，也就是系統(tǒng)釋放掉可以回收的內(nèi)存，比如我前面講過的緩存和緩沖區(qū)，就屬于可回收內(nèi)存。它們在內(nèi)存管理中，通常被叫做文件頁(File-backed Page)。大部分文件頁，都可以直接回收，以后有需要時，再從磁盤重新讀取就可以了。而那些被應用程序修改過，并且暫時還沒寫入磁盤的數(shù)據(jù)(也就是臟頁)，就得先寫入磁盤，然后才能進行內(nèi)存釋放。這些臟頁，一般可以通過兩種方式寫入磁盤。

• 可以在應用程序中，通過系統(tǒng)調(diào)用 fsync ，把臟頁同步到磁盤中；
• 也可以交給系統(tǒng)，由內(nèi)核線程 pdflush 負責這些臟頁的刷新。

文件頁

除了緩存和緩沖區(qū)，通過內(nèi)存映射獲取的文件映射頁，也是一種常見的文件頁。它也可以被釋放掉，下次再訪問的時候，從文件重新讀取。

匿名頁

除了文件頁外，還有沒有其他的內(nèi)存可以回收呢？比如，應用程序動態(tài)分配的堆內(nèi)存，也就是我們在內(nèi)存管理中說到的匿名頁(Anonymous Page)，是不是也可以回收呢？我想，你肯定會說，它們很可能還要再次被訪問啊，當然不能直接回收了。非常正確，這些內(nèi)存自然不能直接釋放。但是，如果這些內(nèi)存在分配后很少被訪問，似乎也是一種資源浪費。是不是可以把它們暫時先存在磁盤里，釋放內(nèi)存給其他更需要的進程？其實，這正是 Linux 的 Swap 機制。Swap 把這些不常訪問的內(nèi)存先寫到磁盤中，然后釋放這些內(nèi)存，給其他更需要的進程使用。再次訪問這些內(nèi)存時，重新從磁盤讀入內(nèi)存就可以了。在前幾節(jié)的案例中，我們已經(jīng)分別學過緩存和 OOM 的原理和分析。那 Swap 又是怎么工作的呢？因為內(nèi)容比較多，接下來，我將用兩節(jié)課的內(nèi)容，帶你探索 Swap 的工作原理，以及 Swap 升高后的分析方法。今天我們先來看看，Swap 究竟是怎么工作的。

Swap 原理

前面提到，Swap 說白了就是把一塊磁盤空間或者一個本地文件(以下講解以磁盤為例)，當成內(nèi)存來使用。它包括換出和換入兩個過程。

• 所謂換出，就是把進程暫時不用的內(nèi)存數(shù)據(jù)存儲到磁盤中，并釋放這些數(shù)據(jù)占用的內(nèi)存。
• 而換入，則是在進程再次訪問這些內(nèi)存的時候，把它們從磁盤讀到內(nèi)存中來。

所以你看，Swap 其實是把系統(tǒng)的可用內(nèi)存變大了。這樣，即使服務器的內(nèi)存不足，也可以運行大內(nèi)存的應用程序。還記得我最早學習 Linux 操作系統(tǒng)時，內(nèi)存實在太貴了，一個普通學生根本就用不起大的內(nèi)存，那會兒我就是開啟了 Swap 來運行 Linux 桌面。當然，現(xiàn)在的內(nèi)存便宜多了，服務器一般也會配置很大的內(nèi)存，那是不是說 Swap 就沒有用武之地了呢？當然不是。事實上，內(nèi)存再大，對應用程序來說，也有不夠用的時候。一個很典型的場景就是，即使內(nèi)存不足時，有些應用程序也并不想被 OOM 殺死，而是希望能緩一段時間，等待人工介入，或者等系統(tǒng)自動釋放其他進程的內(nèi)存，再分配給它。除此之外，我們常見的筆記本電腦的休眠和快速開機的功能，也基于 Swap 。休眠時，把系統(tǒng)的內(nèi)存存入磁盤，這樣等到再次開機時，只要從磁盤中加載內(nèi)存就可以。這樣就省去了很多應用程序的初始化過程，加快了開機速度。話說回來，既然 Swap 是為了回收內(nèi)存，那么 Linux 到底在什么時候需要回收內(nèi)存呢？前面一直在說內(nèi)存資源緊張，又該怎么來衡量內(nèi)存是不是緊張呢？一個最容易想到的場景就是，有新的大塊內(nèi)存分配請求，但是剩余內(nèi)存不足。這個時候系統(tǒng)就需要回收一部分內(nèi)存(比如前面提到的緩存)，進而盡可能地滿足新內(nèi)存請求。這個過程通常被稱為直接內(nèi)存回收。除了直接內(nèi)存回收，還有一個專門的內(nèi)核線程用來定期回收內(nèi)存，也就是kswapd0。為了衡量內(nèi)存的使用情況，kswapd0 定義了三個內(nèi)存閾值(watermark，也稱為水位)，分別是頁最小閾值(pages_min)、頁低閾值(pages_low)和頁高閾值(pages_high)。剩余內(nèi)存，則使用 pages_free 表示。這里，我畫了一張圖表示它們的關系。kswapd0 定期掃描內(nèi)存的使用情況，并根據(jù)剩余內(nèi)存落在這三個閾值的空間位置，進行內(nèi)存的回收操作。

• 剩余內(nèi)存小于頁最小閾值，說明進程可用內(nèi)存都耗盡了，只有內(nèi)核才可以分配內(nèi)存。
• 剩余內(nèi)存落在頁最小閾值和頁低閾值中間，說明內(nèi)存壓力比較大，剩余內(nèi)存不多了。這時 kswapd0 會執(zhí)行內(nèi)存回收，直到剩余內(nèi)存大于高閾值為止。
• 剩余內(nèi)存落在頁低閾值和頁高閾值中間，說明內(nèi)存有一定壓力，但還可以滿足新內(nèi)存請求。
• 剩余內(nèi)存大于頁高閾值，說明剩余內(nèi)存比較多，沒有內(nèi)存壓力。

我們可以看到，一旦剩余內(nèi)存小于頁低閾值，就會觸發(fā)內(nèi)存的回收。這個頁低閾值，其實可以通過內(nèi)核選項 /proc/sys/vm/min_free_kbytes 來間接設置。min_free_kbytes 設置了頁最小閾值，而其他兩個閾值，都是根據(jù)頁最小閾值計算生成的，計算方法如下 ：pages_low = pages_min*5/4 pages_high = pages_min*3/2

NUMA 與 Swap

很多情況下，你明明發(fā)現(xiàn)了 Swap 升高，可是在分析系統(tǒng)的內(nèi)存使用時，卻很可能發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)剩余內(nèi)存還多著呢。為什么剩余內(nèi)存很多的情況下，也會發(fā)生 Swap 呢？看到上面的標題，你應該已經(jīng)想到了，這正是處理器的 NUMA (Non-Uniform Memory Access)架構導致的。關于 NUMA，我在 CPU 模塊中曾簡單提到過。在 NUMA 架構下，多個處理器被劃分到不同 Node 上，且每個 Node 都擁有自己的本地內(nèi)存空間。而同一個 Node 內(nèi)部的內(nèi)存空間，實際上又可以進一步分為不同的內(nèi)存域(Zone)，比如直接內(nèi)存訪問區(qū)(DMA)、普通內(nèi)存區(qū)(NORMAL)、偽內(nèi)存區(qū)(MOVABLE)等，如下圖所示：先不用特別關注這些內(nèi)存域的具體含義，我們只要會查看閾值的配置，以及緩存、匿名頁的實際使用情況就夠了。既然 NUMA 架構下的每個 Node 都有自己的本地內(nèi)存空間，那么，在分析內(nèi)存的使用時，我們也應該針對每個 Node 單獨分析。你可以通過 numactl 命令，來查看處理器在 Node 的分布情況，以及每個 Node 的內(nèi)存使用情況。比如，下面就是一個 numactl 輸出的示例：$ numactl --hardware available: 1 nodes (0) node 0 cpus: 0 1 node 0 size: 7977 MB node 0 free: 4416 MB ...這個界面顯示，我的系統(tǒng)中只有一個 Node，也就是 Node 0 ，而且編號為 0 和 1 的兩個 CPU， 都位于 Node 0 上。另外，Node 0 的內(nèi)存大小為 7977 MB，剩余內(nèi)存為 4416 MB。了解了 NUNA 的架構和 NUMA 內(nèi)存的查看方法后，你可能就要問了這跟 Swap 有什么關系呢？實際上，前面提到的三個內(nèi)存閾值(頁最小閾值、頁低閾值和頁高閾值)，都可以通過內(nèi)存域在 proc 文件系統(tǒng)中的接口 /proc/zoneinfo 來查看。比如，下面就是一個 /proc/zoneinfo 文件的內(nèi)容示例：$ cat /proc/zoneinfo ... Node 0, zone Normalpages free 227894min 14896low 18620high 22344 ...nr_free_pages 227894nr_zone_inactive_anon 11082nr_zone_active_anon 14024nr_zone_inactive_file 539024nr_zone_active_file 923986 ...這個輸出中有大量指標，我來解釋一下比較重要的幾個。

• pages 處的 min、low、high，就是上面提到的三個內(nèi)存閾值，而 free 是剩余內(nèi)存頁數(shù)，它跟后面的 nr_free_pages 相同。
• nr_zone_active_anon 和 nr_zone_inactive_anon，分別是活躍和非活躍的匿名頁數(shù)。
• nr_zone_active_file 和 nr_zone_inactive_file，分別是活躍和非活躍的文件頁數(shù)。

從這個輸出結果可以發(fā)現(xiàn)，剩余內(nèi)存遠大于頁高閾值，所以此時的 kswapd0 不會回收內(nèi)存。當然，某個 Node 內(nèi)存不足時，系統(tǒng)可以從其他 Node 尋找空閑內(nèi)存，也可以從本地內(nèi)存中回收內(nèi)存。具體選哪種模式，你可以通過 /proc/sys/vm/zone_reclaim_mode 來調(diào)整。它支持以下幾個選項：

• 默認的 0 ，也就是剛剛提到的模式，表示既可以從其他 Node 尋找空閑內(nèi)存，也可以從本地回收內(nèi)存。
• 1、2、4 都表示只回收本地內(nèi)存，2 表示可以回寫臟數(shù)據(jù)回收內(nèi)存，4 表示可以用 Swap 方式回收內(nèi)存。

swappiness

到這里，我們就可以理解內(nèi)存回收的機制了。這些回收的內(nèi)存既包括了文件頁，又包括了匿名頁。

• 對文件頁的回收，當然就是直接回收緩存，或者把臟頁寫回磁盤后再回收。
• 而對匿名頁的回收，其實就是通過 Swap 機制，把它們寫入磁盤后再釋放內(nèi)存。

不過，你可能還有一個問題。既然有兩種不同的內(nèi)存回收機制，那么在實際回收內(nèi)存時，到底該先回收哪一種呢？其實，Linux 提供了一個 /proc/sys/vm/swappiness 選項，用來調(diào)整使用 Swap 的積極程度。swappiness 的范圍是 0-100，數(shù)值越大，越積極使用 Swap，也就是更傾向于回收匿名頁；數(shù)值越小，越消極使用 Swap，也就是更傾向于回收文件頁。雖然 swappiness 的范圍是 0-100，不過要注意，這并不是內(nèi)存的百分比，而是調(diào)整 Swap 積極程度的權重，即使你把它設置成 0，當剩余內(nèi)存 + 文件頁小于頁高閾值時，還是會發(fā)生 Swap。清楚了 Swap 原理后，當遇到 Swap 使用變高時，又該怎么定位、分析呢？別急，下一節(jié)，我們將用一個案例來探索實踐。

小結

在內(nèi)存資源緊張時，Linux 通過直接內(nèi)存回收和定期掃描的方式，來釋放文件頁和匿名頁，以便把內(nèi)存分配給更需要的進程使用。

• 文件頁的回收比較容易理解，直接清空，或者把臟數(shù)據(jù)寫回磁盤后再釋放。
• 而對匿名頁的回收，需要通過 Swap 換出到磁盤中，下次訪問時，再從磁盤換入到內(nèi)存中。

你可以設置 /proc/sys/vm/min_free_kbytes，來調(diào)整系統(tǒng)定期回收內(nèi)存的閾值(也就是頁低閾值)，還可以設置 /proc/sys/vm/swappiness，來調(diào)整文件頁和匿名頁的回收傾向。在 NUMA 架構下，每個 Node 都有自己的本地內(nèi)存空間，而當本地內(nèi)存不足時，默認既可以從其他 Node 尋找空閑內(nèi)存，也可以從本地內(nèi)存回收。你可以設置 /proc/sys/vm/zone_reclaim_mode ，來調(diào)整 NUMA 本地內(nèi)存的回收策略。老師，在工作中經(jīng)常會遇到這種情況，系統(tǒng)中的剩余內(nèi)存較小、緩存內(nèi)存較大的，也就是整體可用內(nèi)存較高的情況下，就開始使用swap了，而查看swappiness的配置為10，理論上不應該使用swap的；具體看下面的free命令，麻煩老師看下是什么原因？[root@shvsolman ~]# free -mtotal used free shared buffers cachedMem: 32107 31356 750 0 15 12514-/+ buffers/cache: 18825 13281Swap: 3071 1581 1490[root@shvsolman ~]# sysctl -a | grep swappinessvm.swappiness = 10展開作者回復: 這是容易誤解的地方，其實，即使把swappiness設置成0也不會禁止swap。想要禁止，就不要開啟swap。我們公司處理嵌入式系統(tǒng)都是關閉swap分區(qū)，具體不知道什么原因？作者回復: 一般是為了減少寫的次數(shù)，延長Flash存儲的壽命倪老師，請教一下，Linux下怎么關閉SWAP功能？直接不分配SWAP卷(或者分區(qū)、文件)，還是通過某個關閉SWAP功能的系統(tǒng)選項？展開作者回復: swapoff命令可以動態(tài)關閉，持久化還要從fstab里面刪除

總結

以上是生活随笔為你收集整理的19 | 案例篇：为什么系统的Swap变高了（上）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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