嵌入式Linux的Swap交換區剖析

??????? 嵌入式linux中文站向大家介紹一下swap分區的概念。Swap，即交換區，除了安裝Linux的時候，有多少人關心過它呢?其實，Swap的調整對Linux服務器，特別是Web服務器的性能至關重要。通過調整Swap，有時可以越過系統性能瓶頸，節省系統升級費用。

　　Swap的原理是一個較復雜的問題，需要大量的篇幅來說明。在這里只作簡單的介紹，在以后的文章中將和大家詳細討論Swap實現的細節。

　　眾所周知，現代操作系統都實現了“虛擬內存”這一技術，不但在功能上突破了物理內存的限制，使程序可以操縱大于實際物理內存的空間，更重要的是，“虛擬內存”是隔離每個進程的安全保護網，使每個進程都不受其它程序的干擾。

　　Swap空間的作用可簡單描述為：當系統的物理內存不夠用的時候，就需要將物理內存中的一部分空間釋放出來，以供當前運行的程序使用。那些被釋放的空間可能來自一些很長時間沒有什么操作的程序，這些被釋放的空間被臨時保存到Swap空間中，等到那些程序要運行時，再從Swap中恢復保存的數據到內存中。這樣，系統總是在物理內存不夠時，才進行Swap交換。

　　計算機用戶會經常遇這種現象。例如，在使用Windows系統時，可以同時運行多個程序，當你切換到一個很長時間沒有理會的程序時，會聽到硬盤 “嘩嘩”直響。這是因為這個程序的內存被那些頻繁運行的程序給“偷走”了，放到了Swap區中。因此，一旦此程序被放置到前端，它就會從Swap區取回自己的數據，將其放進內存，然后接著運行。

　　需要說明一點，并不是所有從物理內存中交換出來的數據都會被放到Swap中(如果這樣的話，Swap就會不堪重負)，有相當一部分數據被直接交換到文件系統。例如，有的程序會打開一些文件，對文件進行讀寫(其實每個程序都至少要打開一個文件，那就是運行程序本身)，當需要將這些程序的內存空間交換出去時，就沒有必要將文件部分的數據放到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，那么內存數據被直接釋放，不需要交換出來，因為下次需要時，可直接從文件系統恢復;如果是寫文件，只需要將變化的數據保存到文件中，以便恢復。但是那些用malloc和new函數生成的對象的數據則不同，它們需要Swap空間，因為它們在文件系統中沒有相應的“儲備”文件，因此被稱作“匿名”(Anonymous)內存數據。這類數據還包括堆棧中的一些狀態和變量數據等。所以說，Swap空間是“匿名”數據的交換空間。

　　突破128M Swap限制

　　經常看到有些Linux(國內漢化版)安裝手冊上有這樣的說明：Swap空間不能超過128M。為什么會有這種說法?在說明“128M”這個數字的來歷之前，先給問題一個回答：現在根本不存在128M的限制!現在的限制是2G!

　　Swap空間是分頁的，每一頁的大小和內存頁的大小一樣，方便Swap空間和內存之間的數據交換。舊版本的Linux實現Swap空間時，用 Swap空間的第一頁作為所有Swap空間頁的一個“位映射”(Bit map)。這就是說第一頁的每一位，都對應著一頁Swap空間。如果這一位是1，表示此頁Swap可用;如果是0，表示此頁是壞塊，不能使用。這么說來，第一個Swap映射位應該是0，因為，第一頁Swap是映射頁。另外，最后10個映射位也被占用，用來表示Swap的版本(原來的版本是 Swap_space ，現在的版本是swapspace2)。那么，如果說一頁的大小為s，這種Swap的實現方法共能管理“8 * ( s - 10 ) - 1”個Swap頁。對于i386系統來說s=4096，則空間大小共為133890048，如果認為1 MB=2^20 Byte的話，大小正好為128M。

　　之所以這樣來實現Swap空間的管理，是要防止Swap空間中有壞塊。如果系統檢查到Swap中有壞塊，則在相應的位映射上標記上0，表示此頁不可用。這樣在使用Swap時，不至于用到壞塊，而使系統產生錯誤。

　　現在的系統設計者認為：

　　1.現在硬盤質量很好，壞塊很少。

　　2.就算有，也不多，只需要將壞塊羅列出來，而不需要為每一頁建立映射。

　　3.如果有很多壞塊，就不應該將此硬盤作為Swap空間使用。

　　于是，現在的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，限制為2G。

　　Swap配置對性能的影響

　　分配太多的Swap空間會浪費磁盤空間，而Swap空間太少，則系統會發生錯誤。如果系統的物理內存用光了，系統就會跑得很慢，但仍能運行;如果Swap空間用光了，那么系統就會發生錯誤。例如，Web服務器能根據不同的請求數量衍生出多個服務進程(或線程)，如果Swap空間用完，則服務進程無法啟動，通常會出現“application is out of memory”的錯誤，嚴重時會造成服務進程的死鎖。因此Swap空間的分配是很重要的。

通常情況下，Swap空間應大于或等于物理內存的大小，最小不應小于64M，通常Swap空間的大小應是物理內存的2-2.5倍。但根據不同的應用，應有不同的配置：如果是小的桌面系統，則只需要較小的Swap空間，而大的服務器系統則視情況不同需要不同大小的Swap空間。特別是數據庫服務器和 Web服務器，隨著訪問量的增加，對Swap空間的要求也會增加，具體配置參見各服務器產品的說明。

　　另外，Swap分區的數量對性能也有很大的影響。因為Swap交換的操作是磁盤IO的操作，如果有多個Swap交換區，Swap空間的分配會以輪流的方式操作于所有的Swap，這樣會大大均衡IO的負載，加快Swap交換的速度。如果只有一個交換區，所有的交換操作會使交換區變得很忙，使系統大多數時間處于等待狀態，效率很低。用性能監視工具就會發現，此時的CPU并不很忙，而系統卻慢。這說明，瓶頸在IO上，依靠提高CPU的速度是解決不了問題的。

　　系統性能監視

　　Swap空間的分配固然很重要，而系統運行時的性能監控卻更加有價值。通過性能監視工具，可以檢查系統的各項性能指標，找到系統性能的瓶頸。本文只介紹一下在Solaris下和Swap相關的一些命令和用途。

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

　　例如：