十九、Linux性能优化实战学习笔记- 为什么系统的Swap变高了？

发布于：2022-11-09 ⋅ 阅读:(482) ⋅ 点赞:(0)

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一、什么是文件页？什么是脏页？什么是匿名页？

二、linux swap原理

换出

换入

三、内存回收的时机

1、直接内存回收

2、kswapd0内核线程

四、NUMA 与 Swap关系

五、swappiness

一、什么是文件页？什么是脏页？什么是匿名页？

1、缓存和缓冲区，就属于可回收内存。它们在内存管理中，通常被叫做文件页（File-backed Page），

此外除了缓存和缓冲区，通过内存映射获取的文件映射页，也是一种常见的文件页。它也可以被释放掉，下次再访问的时候，从文件重新读取。

2、大部分文件页，都可以直接回收，以后有需要时，再从磁盘重新读取就可以了。而那些被应用程序修改过，并且暂时还没写入磁盘的数据（也就是脏页），就得先写入磁盘，然后才能进行内存释放

脏页的写入磁盘的方式：

  • 系统调用 fsync ，把脏页同步到磁盘中
  • 也可以交给系统，由内核线程 pdflush 负责这些脏页的刷新

3、应用程序动态分配的堆内存称为匿名页（Anonymous Page）
堆内存很可能还要再次被访问，当然不能直接回收了。非常正确，这些内存自然不能直接释放。

但是，如果这些内存在分配后很少被访问，似乎也是一种资源浪费。是不是可以把它们暂时先存在磁盘里，释放内存给其他更需要的进程？这就是Linux 的 Swap 机制。Swap 把这些不常访问的内存先写到磁盘中，然后释放这些内存，给其他更需要的进程使用。再次访问这些内存时，重新从磁盘读入内存就可以了。

 

二、linux swap原理

Swap 把这些不常访问的内存先写到磁盘中，然后释放这些内存，给其他更需要的进程使用。再次访问这些内存时，重新从磁盘读入内存就可以了。

换出

把进程暂时不用的内存数据(经过上文分析主要是堆内存)存储到磁盘中，并释放这些数据占用的内存

换入

在进程再次访问这些内存的时候，把它们从磁盘读到内存中来。

给人的感觉是Swap 其实是把系统的可用内存变大了。这样，即使服务器的内存不足，也可以运行大内存的应用程序。其实在现在内存比较廉价的年代，对于追求高性能的业务完全可以关闭swap，因为内存和硬盘的速度在目前还存在瓶颈。

典型场景：

  1. 即使内存不足时，有些应用程序也并不想被 OOM 杀死，而是希望能缓一段时间，等待人工介入，或者等系统自动释放其他进程的内存，再分配给它。
  2. 我们常见的笔记本电脑的休眠和快速开机的功能，也基于 Swap 。休眠时，把系统的内存存入磁盘，这样等到再次开机时，只要从磁盘中加载内存就可以。这样就省去了很多应用程序的初始化过程，加快了开机速度

三、内存回收的时机

1、直接内存回收

有新的大块内存分配请求，但是剩余内存不足。这个时候系统就需要回收一部分内存（比如前面提到的缓存），进而尽可能地满足新内存请求。这个过程通常被称为直接内存回收

2、kswapd0内核线程

除了直接内存回收，还有一个专门的内核线程用来定期回收内存，也就是kswapd0。

为了衡量内存的使用情况，kswapd0 定义了三个内存阈值（watermark，也称为水位）

  • 页最小阈值（pages_min）
  • 页低阈值（pages_low）
  • 页高阈值（pages_high）

剩余内存，则使用 pages_free 表。
 

kswapd0 定期扫描内存的使用情况，并根据剩余内存落在这三个阈值的空间位置，进行内存的回收操作

  • 剩余内存小于页最小阈值，说明进程可用内存都耗尽了，只有内核才可以分配内存。
  • 剩余内存落在页最小阈值和页低阈值中间，说明内存压力比较大，剩余内存不多了。这时 kswapd0 会执行内存回收，直到剩余内存大于高阈值为止。
  • 剩余内存落在页低阈值和页高阈值中间，说明内存有一定压力，但还可以满足新内存请求
  • 剩余内存大于页高阈值，说明剩余内存比较多，没有内存压力。

一旦剩余内存小于页低阈值，就会触发内存的回收。这个页低阈值，其实可以通过内核选项 /proc/sys/vm/min_free_kbytes 来间接设置。min_free_kbytes 设置了页最小阈值，而其他两个阈值，都是根据页最小阈值计算生成的，计算方法如下
 

pages_low = pages_min*5/4
pages_high = pages_min*3/2

实际例子 

Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: active_anon:39359325 inactive_anon:1009594 isolated_anon:0
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: active_file:405 inactive_file:681 isolated_file:256
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: unevictable:0 dirty:597 writeback:186 unstable:0
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: free:178946 slab_reclaimable:22006 slab_unreclaimable:73753
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: mapped:673 shmem:125 pagetables:192454 bounce:0
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: Node 0 DMA free:15748kB min:4kB low:4kB high:4kB active_anon:0kB inactive_anon:0kB active_file:0kB inactive_file:0kB unevictable:0kB isolated(anon):0kB isolated(file):0kB present:15364kB mlocked:0kB dirty:0kB writeback:0kB mapped:0kB shmem:0kB slab_reclaimable:0kB slab_unreclaimable:0kB kernel_stack:0kB pagetables:0kB unstable:0kB bounce:0kB writeback_tmp:0kB pages_scanned:0 all_unreclaimable? yes
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: lowmem_reserve[]: 0 1846 161426 161426
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: Node 0 DMA32 free:628044kB min:772kB low:964kB high:1156kB active_anon:0kB inactive_anon:0kB active_file:0kB inactive_file:0kB unevictable:0kB isolated(anon):0kB isolated(file):0kB present:1891036kB mlocked:0kB dirty:0kB writeback:0kB mapped:0kB shmem:0kB slab_reclaimable:0kB slab_unreclaimable:0kB kernel_stack:0kB pagetables:0kB unstable:0kB bounce:0kB writeback_tmp:0kB pages_scanned:0 all_unreclaimable? yes
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: lowmem_reserve[]: 0 0 159580 159580
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: Node 0 Normal free:71992kB min:66804kB low:83504kB high:100204kB active_anon:157437300kB inactive_anon:4038376kB active_file:1620kB inactive_file:2724kB unevictable:0kB isolated(anon):0kB isolated(file):1024kB present:163409920kB mlocked:0kB dirty:2388kB writeback:744kB mapped:2692kB shmem:500kB slab_reclaimable:88024kB slab_unreclaimable:295012kB kernel_stack:417520kB pagetables:769816kB unstable:0kB bounce:0kB writeback_tmp:0kB pages_scanned:0 all_unreclaimable? no
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: lowmem_reserve[]: 0 0 0 0
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: Node 0 DMA: 3*4kB 3*8kB 2*16kB 0*32kB 1*64kB 0*128kB 1*256kB 0*512kB 1*1024kB 1*2048kB 3*4096kB = 15748kB
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: Node 0 DMA32: 13*4kB 9*8kB 9*16kB 10*32kB 10*64kB 9*128kB 8*256kB 12*512kB 9*1024kB 9*2048kB 144*4096kB = 628044kB
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: Node 0 Normal: 16140*4kB 402*8kB 101*16kB 14*32kB 0*64kB 0*128kB 0*256kB 0*512kB 0*1024kB 0*2048kB 0*4096kB = 69840kB
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: 219664 total pagecache pages
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: 217654 pages in swap cache
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: Swap cache stats: add 13183139, delete 12965485, find 30830711/31297955
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: Free swap  = 0kB
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: Total swap = 33554428kB
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: 41943039 pages RAM
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: 663720 pages reserved
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: 87322 pages shared
Jan  6 06:18:31 ETLHOST100 kernel: 40998020 pages non-shared

四、内存回收的方式

一旦发现内存紧张，系统会通过三种方式回收内存。这三种方式分别是 ：

  • 基于 LRU（Least Recently Used）算法，回收缓存；
  • 基于 Swap 机制，回收不常访问的匿名页；
  • 基于 OOM（Out of Memory）机制，杀掉占用大量内存的进程

前两种方式，缓存回收和 Swap 回收，实际上都是基于 LRU 算法，也就是优先回收不常访问的内存。LRU 回收算法，实际上维护着 active 和 inactive 两个双向链表，其中：

  1. active 记录活跃的内存页；
  2. inactive 记录非活跃的内存页

越接近链表尾部，就表示内存页越不常访问。这样，在回收内存时，

系统就可以根据活跃程度，优先回收不活跃的内存。
活跃和非活跃的内存页，按照类型的不同，又分别分为文件页和匿名页，对应着缓存回收和 Swap 回收。
 

# grep 表示只保留包含 active 的指标（忽略大小写）
# sort 表示按照字母顺序排序
$ cat /proc/meminfo | grep -i active | sort
Active(anon): 167976 kB
Active(file): 971488 kB
Active: 1139464 kB
Inactive(anon): 720 kB
Inactive(file): 2109536 kB
Inactive: 2110256 kB

第三种方式，OOM 机制按照 oom_score 给进程排序。oom_score 越大，进程就越容易被系统杀死


当系统发现内存不足以分配新的内存请求时，就会尝试直接内存回收。这种情况下，如果回收完文件页和匿名页后，内存够用了，当然皆大欢喜，把回收回来的内存分配给进程就可以了。但如果内存还是不足，OOM 就要登场。

OOM 发生时，你可以在 dmesg 中看到 Out of memory 的信息，从而知道是哪些进程被 OOM 杀死了。比如，你可以执行下面的命令，查询 OOM 日志

dmesg | grep -i "Out of memory"

OOM什么时候会发生？

OOM 触发的时机基于虚拟内存。换句话说，进程在申请内存时，如果申请的虚拟内存加上服务器实际已用的内存之和，比总的物理内存还大，就会触发 OOM

因此不能单纯的看cache和 buffer还有很多，实际可回收的有多少呢？回收的能赶得上请求分配吗？
 

四、NUMA 与 Swap关系

很多情况下，你明明发现了 Swap 升高，可是在分析系统的内存使用时，却很可能发现，系统剩余内存还多着呢。为什么剩余内存很多的情况下，也会发生 Swap 呢？这正是处理器的 NUMA （Non-UniformMemory Access）架构导致的。

在 NUMA 架构下，多个处理器被划分到不同 Node 上，且每个 Node 都拥有自己的本地内存空间。而同一个 Node 内部的内存空间，实际上又可以进一步分为不同的内存域（Zone），比如直接内存访问区（DMA）、普通内存区（NORMAL）、伪内存区（MOVABLE）等，
如下图所示

先不用特别关注这些内存域的具体含义，我们只要会查看阈值的配置，以及缓存、匿名页的实际使用情况就够了
既然 NUMA 架构下的每个 Node 都有自己的本地内存空间，那么，在分析内存的使用时，我们也应该针对每个 Node 单独分析。

你可以通过 numactl 命令，来查看处理器在 Node 的分布情况，以及每个 Node 的内存使用情况
 

 tune]$ numactl --hardware
available: 2 nodes (0-1)
node 0 cpus: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
node 0 size: 163710 MB
node 0 free: 654 MB
node 1 cpus: 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47
node 1 size: 163840 MB
node 1 free: 11017 MB
node distances:
node   0   1 
  0:  10  21 
  1:  21  10


这个界面显示，我的系统中有两个 Node

 编号为 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35的24个CPU， 都位于 Node 0 上。

编号为12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 的24个CPU， 都位于 Node1 上。

另外，Node 0 的内存大小为 163710 MB，剩余内存为 654MB

          Node 1 的内存大小为 163840 MB，剩余内存为 11017MB

了解了 NUNA 的架构和 NUMA 内存的查看方法后，你可能就要问了这跟 Swap 有什么关系呢？

前面提到的三个内存阈值（页最小阈值、页低阈值和页高阈值），都可以通过内存域在 proc 文件系统中的接口 /proc/zoneinfo 来查看
 

tune]$ cat /proc/zoneinfo|more
Node 0, zone      DMA
  pages free     3936
        min      0
        low      0
        high     0
        scanned  0
        spanned  4095
        present  3841
    nr_free_pages 3936
    nr_inactive_anon 0
    nr_active_anon 0
    nr_inactive_file 0
    nr_active_file 0
    nr_unevictable 0
    nr_mlock     0
    nr_anon_pages 0
    nr_mapped    0
    nr_file_pages 0
    nr_dirty     0
    nr_writeback 0
    nr_slab_reclaimable 0
    nr_slab_unreclaimable 0
    nr_page_table_pages 0
    nr_kernel_stack 0
    nr_unstable  0
    nr_bounce    0
    nr_vmscan_write 0
    nr_writeback_temp 0
    nr_isolated_anon 0
    nr_isolated_file 0
    nr_shmem     0
    numa_hit     0
    numa_miss    0
    numa_foreign 0
    numa_interleave 0
    numa_local   0
    numa_other   0
    nr_anon_transparent_hugepages 0
        protection: (0, 1846, 161426, 161426)
  pagesets
    cpu: 0
              count: 0
              high:  0
              batch: 1
  vm stats threshold: 12
    cpu: 1
              count: 0
              high:  0
              batch: 1
  vm stats threshold: 12
    cpu: 2
              count: 0
              high:  0
              batch: 1
  vm stats threshold: 12
    cpu: 3
              count: 0
              high:  0
              batch: 1
  vm stats threshold: 12
......

pages 处的 min、low、high，就是上面提到的三个内存阈值，而 free 是剩余内存页数，它跟后面的 nr_free_pages 相同。
nr_zone_active_anon 和 nr_zone_inactive_anon，分别是活跃和非活跃的匿名页数。
nr_zone_active_file 和 nr_zone_inactive_file，分别是活跃和非活跃的文件页数

剩余内存远大于页高阈值，所以此时的 kswapd0 不会回收内存。

某个 Node 内存不足时，系统可以从其他 Node 寻找空闲内存，也可以从本地内存中回收内存。具体选哪种模式，你可以通过 /proc/sys/vm/zone_reclaim_mode来调整

  • 默认的 0 ，表示既可以从其他 Node 寻找空闲内存，也可以从本地回收内存。
  • 1、2、4 都表示只回收本地内存
  • 2 表示可以回写脏数据回收内存4 表示可以用Swap 方式回收内存

五、swappiness

  1. 对文件页的回收，当然就是直接回收缓存，或者把脏页写回磁盘后再回收。
  2. 对匿名页的回收，其实就是通过 Swap 机制，把它们写入磁盘后再释放内存

既然有两种不同的内存回收机制，那么在实际回收内存时，到底该先回收哪一种呢？

Linux 提供了一个 /proc/sys/vm/swappiness选项，用来调整使用 Swap 的积极程度。

swappiness 的范围是 0-100，数值越大，越积极使用 Swap，也就是更倾向于回收匿名页；数值越小，越消极使用 Swap，也就是更倾向于回收文件页
swappiness 的范围是 0-100，不过要注意，这并不是内存的百分比，而是调整Swap 积极程度的权重，即使你把它设置成 0，当剩余内存 + 文件页小于页高阈值时，还是会发生 Swap。
 

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