嵌入式Linux的Swap交换区剖析

        嵌入式linux中文站向大家介绍一下swap分区的概念。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。

　　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：

　　

　　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：

　　

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。