Linux 交换空间管理
计算机存储器的层次结构
计算机存储器速度越快，成本较高。 为了获得好的性能/价格比，计算机中各种存储器组成一个层状的塔式结构，取长补短，协调工作。
CPU 寄存器，是 CPU 内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果以及一些 CPU 运行需要的信息。
CPU 高速缓存，也就是CPU Cache，是一种容量小、速度快的高缓冲存储器，由SRAM组成，直接制作在CPU芯片内，速度几乎与CPU一样快。在金字塔式存储体系中它位于自顶向下的第二层，仅次于CPU寄存器。其容量远小于内存，但速度却可以接近处理器的频率。
主存储器（Main memory），简称主存或内存，其作用是存放指令和数据，并能由中央处理器（CPU）直接随机存取。主存储器速度比CPU高速缓存慢，但存储容器却大的多。
主存储器的速度一般用存取时间衡量，即每次与CPU间数据处理耗费的时间，以纳秒(ns)为单位。大多数SDRAM内存芯片的存取时间为5、6、7、8或10ns。
主存储器的带宽计算公式：带宽＝频率*位宽／8。
例如：DDR4 内存频率是3600 MHz，在64位系统（双通道位宽为128，以此类推），1B=8bit,
单通道 DDR4-3600：3600MHz * 64bit / 8=28800MB/S
双通道 DDR4-3600：3600MHz * 64bit * 2 / 8=57600MB/S
辅助存储器，速度慢的多，优点是容量大，可持久化存储。
计算机存储器的工作原理
- CPU运行程序时，先从寄存器中读取数据。如果在寄存器中可以找到数据，则直接从寄存器中读取。如果在寄存器中找不到数据，则从CPU Cache中读取数据，并将数据缓存在CPU Cache中。
- 如果在CPU cache中可以找到数据，则直接从CPU Cache中读取。如果在CPU cache中找不到数据，则从主存储器（内存）中读取数据，将数据缓存在主存储器中。
- 如果在内存中可以找到数据，则直接从内存中读取。如果在内存中找不到数据，则从辅助存储器中读取数据，例如机械磁盘、光盘、U盘等，并将数据缓存在内存中。
物理内存
计算机系统将内存划分为固定大小的块，称为 page，标准 page 大小为 4 KiB。进程并不直接对物理内存寻址，每个进程具有虚拟地址空间virtual address space。当进程请求内存时，MMU 将进程获得的虚拟地址（VA，Virtual Address ）映射到物理地址（PA，Physical Address ）。
MMU是Memory Management Unit的缩写，即内存管理单元，它是CPU中用来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路，负责将虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的内存访问授权。
**思考：**为什么CPU不直接访问物理地址？
- 虚拟内存的容量是物理内存和交换空间的总和，而虚拟地址负责映射到物理内存地址和交换空间地址。
- 进程使用内存的过程中，希望内存是连续的。如果进程直接访问物理地址，则内核很难保证进程获得的物理地址空间是连续的，因为进程存在着运行和退出，就会出现内存碎片化。进程的虚拟地址在虚拟内存中是连续的，达到了内存连续的目的，而 MMU 会将进程的虚拟地址映射到物理地址。
Swap 空间
Swap，意思是“交换”、“实物交易”。Linux Swap（交换）空间是受Linux内核内存子系统控制的磁盘区域。
- 功能1：当内存使用量超过定义的限制时，内核寻找已分配给进程但空闲的内存页，将该空闲的内存页写入到交换空间，并向其他进程重新分配RAM页面。
- 功能2：如果某个程序需要访问磁盘上的页面，则内核会找到另一个空闲的内存页， 将其写入到磁盘，然后从交换区重新调用所需的页面。
- 功能3：如果某个程序需要访问数据，访问的数据存放在交换空间，则该程序直接从交换空间读取数据，而不需要从磁盘原始位置读取，进而提高速度。
简单地说，Linux Swap 空间就是在内存不够的情况下，操作系统先把内存中暂时不用的数据，存到硬盘的交换空间，腾出内存来让别的程序运行，和Windows的虚拟内存（pagefile.sys）的作用是一样的。
**交换空间只是临时的解决办法。**虽然交换空间能够作为"虚拟"内存使用，但由于交换区位于磁盘上，它的速度比物理内存慢的多，因此如果需要更快的速度的话，最好的办法仍然是加大物理内存。
查看内存
# 默认单位是KiB，使用-m选项，以MiB为单位
[root@server-tpl ~]# free -m
total used free shared buff/cache available
Mem: 3770 234 3202 11 334 3303
Swap: 3967 0 3967
输出说明：
Mem：
total：物理内存空间大小。
used：使用的内存 (total - free - buffers - cache)。
free：未使用的内存空间大小(真正的空闲，未被任何程序占用)。
shared：多个进程共享的内存空间大小。
cached：从磁盘读取的数据占用的内存空间大小，待以后使用（数据没有被修改）。
buffers：被更改但未写回磁盘的数据占用的内存空间大小。
Swap:
total：交换空间大小。
used：使用的交换空间大小。
free：未使用交换空间大小。
Swap 空间大小
管理员应根据系统的内存工作负载来调整交换空间大小。 应用供应商有时会提供这方面的建议。根据物理内存总量，下表提供了一些指导。
| 物理内存(RAM) | 交换空间 | 允许HIBERNATE时的交换空间 |
|---|---|---|
| 2GiB或以下 | 两倍的RAM | 三倍的RAM |
| 2GiB和8GiB之间 | 同等的RAM | 两倍的RAM |
| 8GiB和64GiB之间 | 至少4GiB | 1.5倍的RAM |
| 64GiB以上 | 至少4GiB | 不建议Hibernate |
笔记本电脑和台式机的Hibernate功能会在关闭系统电源之前使用交换空间来保存RAM内容。重新打开系统时， 内核将从交换空间恢复RAM内容，无需完全启动。 对于这些系统而言，交换空间需要超过RAM量。
创建交换空间
# 使用parted创建所需大小的分区并将其文件系统类型设置为linux-swap
[root@server-tpl ~]# parted /dev/sdb mklabel gpt
[root@server-tpl ~]# parted /dev/sdb unit MiB mkpart data01 linux-swap 1 2049
[root@server-tpl ~]# parted /dev/sdb unit MiB print
# 格式化swap空间
[root@server-tpl ~]# mkswap /dev/sdb1
正在设置交换空间版本 1，大小 = 2097148 KiB
无标签，UUID=e4b9229e-b1b1-4808-b704-9536f5eb501d
激活 swap 空间
# 激活swap空间
[root@server-tpl ~]# swapon /dev/sdb1
# 查看swap设备列表
[root@server-tpl ~]# swapon -s
文件名 类型 大小 已用 权限
/dev/dm-1 partition 4063228 0 -2
/dev/sdb1 partition 2097148 0 -3
默认情况下，多个交换空间具有相同的优先级时，系统会按顺序使用交换空间，即内核先使用第一个已激活交换空间，直至其空间已满，然后开始使用第二个交换空间。在激活交换分区的时候，可以为每个交换空间定义一个优先级，从而强制按该顺序使用交换空间。
swapon 命令使用-p选项指定优先级，优先级介于-1和32767之间，值越大优先级越高。
示例：
[root@server-tpl ~]# swapon -p 4 /dev/sdb1
# swapon失败需要先取消激活
取消 swap 空间激活
[root@server-tpl ~]# swapoff /dev/sdb1
[root@server-tpl ~]# swapon -s
文件名 类型 大小 已用 权限
/dev/dm-1 partition 4063228 0 -2
持久化激活 swap 空间
修改/etc/fstab文件，添加如下类似记录：
UUID=e4b9229e-b1b1-4808-b704-9536f5eb501d swap swap pri=4 0 0
使用命令swapon -a激活/etc/fstab中所有交换设备。
使用命令swapoff -a取消/etc/fstab中所有交换设备激活。
[root@server-tpl ~]# swapon -a
[root@server-tpl ~]# swapon -s
Filename Type Size Used Priority
/dev/dm-1 partition 4063228 0 -2
/dev/sdb1 partition 2097148 0 -3
[root@server-tpl ~]# swapoff -a
[root@server-tpl ~]# swapon -s