Memory swapping in linux

Memory swapping in linux

This page provides an introduction to swap space and paging on GNU/Linux. It covers creation and activation of swap partitions and swap files.

Linux divides its physical RAM (random access memory) into chunks of memory called pages. Swapping is the process whereby a page of memory is copied to the preconfigured space on the hard disk, called swap space, to free up that page of memory. The combined sizes of the physical memory and the swap space is the amount of virtual memory available.

Support for swap is provided by the Linux kernel and user-space utilities from the util-linux package.

Contents

Swap space

Swap space can take the form of a disk partition or a file. Users may create a swap space during installation or at any later time as desired. Swap space can be used for two purposes, to extend the virtual memory beyond the installed physical memory (RAM), and also for suspend-to-disk support.

If it is beneficial to extend the virtual memory with swap depends on the amount of installed physical memory. If the amount of physical memory is less than the amount of memory required to run all the desired programs, then it may be beneficial to enable swap. This avoids out of memory conditions, where the Linux kernel OOM killer mechanism will automatically attempt to free up memory by killing processes. To increase the amount of virtual memory to the required amount, add the necessary difference (or more) as swap space.

The biggest drawback of enabling swap is its lower performance, see section #Performance. Hence, enabling swap is a matter of personal preference: some prefer programs to be killed over enabling swap and others prefer enabling swap and slower system when the physical memory is exhausted.

To check swap status, use:

Or to show physical memory as well as swap usage:

Swap partition

The factual accuracy of this article or section is disputed.

A swap partition can be created with most GNU/Linux partitioning tools. Swap partitions are typically designated as type 82 . Even though it is possible to use any partition type as swap, it is recommended to use type 82 in most cases since systemd will automatically detect it and mount it (see below).

To set up a partition as Linux swap area, the mkswap(8) command is used. For example:

To enable the device for paging:

To enable this swap partition on boot, add an entry to /etc/fstab :

where the device_UUID is the UUID of the swap space.

See fstab for the file syntax.

Activation by systemd

systemd activates swap partitions based on two different mechanisms. Both are executables in /usr/lib/systemd/system-generators . The generators are run on start-up and create native systemd units for mounts. The first, systemd-fstab-generator , reads the fstab to generate units, including a unit for swap. The second, systemd-gpt-auto-generator inspects the root disk to generate units. It operates on GPT disks only, and can identify swap partitions by their type GUID, see systemd#GPT partition automounting for more information.

Disabling swap

To deactivate specific swap space:

Alternatively use the -a switch to deactivate all swap space.

Since swap is managed by systemd, it will be activated again on the next system startup. To disable the automatic activation of detected swap space permanently, run systemctl —type swap to find the responsible .swap unit and mask it.

Swap file

As an alternative to creating an entire partition, a swap file offers the ability to vary its size on-the-fly, and is more easily removed altogether. This may be especially desirable if disk space is at a premium (e.g. a modestly-sized SSD).

Manually

Swap file creation

Use dd to create a swap file the size of your choosing. For example, creating a 512 MiB swap file:

Set the right permissions (a world-readable swap file is a huge local vulnerability):

After creating the correctly sized file, format it to swap:

Activate the swap file:

Finally, edit the fstab configuration to add an entry for the swap file:

For additional information, see fstab#Usage.

Remove swap file

To remove a swap file, it must be turned off first and then can be removed:

Finally remove the relevant entry from /etc/fstab .

Automated

zram-generator

The aim of this tool is the creation of zram devices. It is written in Rust and resides in systemd’s GitHub. It can be installed with the zram-generator package. Configuration is straightforward and explained in the README.

systemd-swap

systemd-swap is a script for creating hybrid swap space from zram swaps, swap files and swap partitions. It is not affiliated with the systemd project.

Install the systemd-swap package. Uncomment and set swapfc_enabled=1 in the Swap File Chunked section of /etc/systemd/swap.conf . Start/enable the systemd-swap service.

Visit the authors GitHub page for more information and setting up the recommended configuration.

Swap encryption

Performance

Swap operations are usually significantly slower than directly accessing data in RAM. Disabling swap entirely to improve performance can sometimes lead to a degradation, since it decreases the memory available for VFS caches, causing more frequent and costly disk I/O.

Swap values can be adjusted to help performance:

Swappiness

The swappiness sysctl parameter represents the kernel’s preference (or avoidance) of swap space. Swappiness can have a value between 0 and 200 (max 100 if Linux /sys/fs/cgroup/memory/memory.swappiness or /proc/sys/vm/swappiness can be read in order to obtain the raw integer value.

To temporarily set the swappiness value:

To set the swappiness value permanently, create a sysctl.d(5) configuration file. For example:

To test and more on why this may work, take a look at this article.

VFS cache pressure

Another sysctl parameter that affects swap performance is vm.vfs_cache_pressure , which controls the tendency of the kernel to reclaim the memory which is used for caching of VFS caches, versus pagecache and swap. Increasing this value increases the rate at which VFS caches are reclaimed[1]. For more information, see the Linux kernel documentation.

Priority

If you have more than one swap file or swap partition you should consider assigning a priority value (0 to 32767) for each swap area. The system will use swap areas of higher priority before using swap areas of lower priority. For example, if you have a faster disk ( /dev/sda ) and a slower disk ( /dev/sdb ), assign a higher priority to the swap area located on the fastest device. Priorities can be assigned in fstab via the pri parameter:

Or via the —priority parameter of swapon:

If two or more areas have the same priority, and it is the highest priority available, pages are allocated on a round-robin basis between them.

Using zswap or zram

Zswap is a Linux kernel feature providing a compressed write-back cache for swapped pages. This increases the performance and decreases the IO-Operations. ZRAM creates a virtual compressed Swap-file in memory as alternative to a swapfile on disk.

Striping

There is no necessity to use RAID for swap performance reasons. The kernel itself can stripe swapping on several devices, if you just give them the same priority in the /etc/fstab file. Refer to The Software-RAID HOWTO for details.

Источник

Управление памятью в Linux

Я думаю, что обычно у каждого пользователя Linux рано или поздно возникает следующий вопрос, задаваемый при администрировании рабочей станции или сервера — «Почему в Linux используется вся моя оперативная память, хотя никакой большой работы не выполняется? «. К нему сегодня я добавлю еще один вопрос, который, я уверен, обычен для многих системных администраторов Linux — «Почему команда free показывает память swap и почему у меня так много свободной оперативной памяти?», так что сегодняшнее мое исследование SwapCached, которое я представляю вам, может оказаться полезным, либо, по крайней мере, ознакомит, как я надеюсь, с информацией об управлении памятью в системе Linux.

В Linux применяется следующее основное правило: неиспользуемая страница оперативной памяти считается потерянной памятью. Оперативная память тратится не только для данных, используемых прикладными приложениями. В ней также хранятся данные для самого ядра и, самое главное, в эту память могут отображаться данные, хранящиеся на жестком диске, что используется для супер-быстрого к ним доступа — команда top указывает об этом в столбцах «buffers/cache» («буферы / кэш»), «disk cache» («дисковый кэш)» или «cached» («кэшировано»). Кэшированная память по сути свободна, поскольку ее можно быстро освободить в случае, если работающей (или только что запущенной) программе потребуется память.

Сохранение кэша означает, что если кому-нибудь еще раз потребуются те же самые данные, то есть большая вероятность, что они все еще будут находиться в кэше в оперативной памяти.

Поэтому первое, чем можно воспользоваться в вашей системе, это команда free , которая предоставит вам первоначальную информацию о том, как используется ваша оперативная память.

Ниже приведены данные, выдаваемые на моем старом ноутбуке с системой Xubuntu:

В строке -/+ buffers/cache показывается, сколько памяти используется и сколько памяти свободно с точки зрения ее использования в приложениях. В этом примере приложениями уже используется 972 Мб памяти и еще 534 МБ памяти могут быть использованы.

Вообще говоря, если используется хотя бы немного памяти подкачки swap, то использование памяти вообще не повлияет на производительность системы.

Но если вы хотите получить более подробную информацию о вашей памяти, то вы должны проверить файл /proc/meminfo; в моей системе Xubuntu с ядром 3.2.0-25-generic результат будет следующим:

Что означает MemTotal (Всего памяти) и MemFree (Свободная память), понятно для всех; остальные значения поясняются дальше:

Cached

Страничный кэш в системе Linux («Cached:» в meminfo) является в большинстве систем самым крупным потребителем памяти. Каждый раз, когда вы выполняете операцию чтения read () из файла, расположенного на диске, данные считываются в память и помещаются в страничный кэш. После того, как операция read() завершается, ядро может просто выбросить страницу памяти, так как она не используется. Однако, если вы второй раз выполняете операцию чтения той же самой части файла, данные будут считываться непосредственно из памяти и обращения к диску не будет. Это невероятно ускоряет работу и, поэтому, в Linux так интенсивно используется кэширование страниц: ставка делается на то, что если вы обратились к некоторой странице дисковой памяти, то вскоре вы обратитесь к ней снова.

dentry/inode caches

Каждый раз, когда вы в файловой системе выполняете операцию «ls’» (или любую другую операцию: open(), stat() и т.д.), ядру требуются данные, которые находятся на диске. Ядро анализирует эти данные, находящиеся на диске, и помещает его в некоторых структуры данных, независимые от файловой системы, с тем, чтобы они могли в различных файловых системах обрабатываться одним и тем же образом. Таким же самым образом, как кэширование страниц в приведенных выше примерах, ядро может после того, как будет завершена команда «ls», стереть эти структуры. Тем не менее, делается такое же предположение, как и раньше: если вы однажды считали эти данные, вы обязательно прочитаете их еще раз. Ядро хранит эту информацию в нескольких местах «кэша», которые называются кэш памятью dentry и inode. Кэш память dentries являются общей для всех файловых систем, но каждая файловая система имеет свой собственный кэш inodes.

Эта оперативная память является в meminfo составной частью «Slab:»

Вы можете просмотреть различную кэш память и узнать ее размеры с помощью следующей команды:

Buffer Cache

Кэш буфера («Buffers:» в meminfo) является близким родственником кэш памяти dentry/inode. Данные dentries и inodes, размещаемые в памяти, представляют собой описание структур на диске, но располагаются они по-разному. Это, возможно, связано с тем, что у нас в копии, расположенной в памяти, используется такая структура, как указатель, но на диске ее нет. Может также случиться, что на диске байты будут располагаться не в том порядке, как это нужно процессору.

Отображение памяти в команде top: VIRT, RES и SHR

Если вы запускаете команду top , то три строки будут описывать к использованию памяти. Вы должны понимать их значение с тем, чтобы понять, сколько памяти требуется вашему серверу.

VIRT является сокращением от virtual size of a process (виртуальный размер процесса) и представляет собой общий объем используемой памяти: памяти, отображаемой самой в себя (например, памяти видеокарты для сервера X), файлов на диске, которые отображаются в память (особенно это касается разделяемых библиотек) и памяти, разделяемой совместно с другими процессами. Значение VIRT указывает, сколько памяти в настоящий момент доступно программе.

RES является сокращением от resident size (размер резидентной части) и является точным указателем того, сколько в действительности потребляется процессом реальной физической памяти. (Что также соответствует значению, находящемуся непосредственно в колонке %MEM). Это значение практически всегда меньше, чем размер VIRT, т.к. большинство программ зависит от библиотеки C.

SHR показывает, какая величина от значения VIRT является в действительности разделяемой (по памяти или за счет использования библиотек). В случае библиотек, это не обязательно означает, что вся библиотека находится в резидентной памяти. Например, если программа использует только несколько функций библиотеки, то при отображении в память будет использована вся библиотека, что будет учтено в значениях VIRT и SHR, но, на самом деле, будет загружена часть библиотеки, содержащая используемые функции, и это будет учтено в значении RES.

Подкачка памяти — swap

Теперь мы видим некоторую информацию о нашей оперативной памяти, но что происходит, когда больше нет свободной оперативной памяти? Если у меня нет свободной памяти, а мне нужна память для страничного кэширования, кэширования inode или кэширования dentry, то где я ее могу получить?

Прежде всего, ядро пытается не допустить, чтобы у вас значение свободной оперативной памяти приближалось к 0 байтов. Это связано с тем, что когда нужно освободить оперативную память, то обычно требуется выделить немного больше памяти. Это обусловлено тем, что нашему ядру требуется своего рода «рабочее пространство» для выполнения своих действий, и поэтому, если размер свободной оперативной памяти становится равным нулю, ядро ничего больше сделать не сможет.

На основании общего объема оперативной памяти и соотношения ее различных типов (память high/low), ядро эвристически определяет то количество памяти в качестве рабочего пространства, при котором оно чувствует себя комфортно. Когда эта величина достигается, ядро начинает возвращать память для других различных задач, описанных выше. Ядро может вернуть себе память из любой из этих задач.

Однако, есть другой потребитель памяти, о котором мы, возможно, уже забыли: данные пользовательских приложений.

Как только ядро принимает решение, что ему не требуется получать память из каких-либо других источников, которые мы описывали ранее, оно запускает память подкачки swap. В ходе этого процесса оно получает данные пользовательских приложений и записывает их в специальное место (или места) на диске. Обратите внимание, что это происходит не только тогда, когда оперативная память близка к заполнению, ядро может принять решение перенести в память swap также данные, находящиеся в оперативной памяти, если они некоторое время не использовались (смотрите раздел «Подкачка памяти»).

По этой причине, даже система с огромным количеством оперативной памяти (даже если ее правильно настроить) может использовать память подкачки swap. Есть много страниц памяти, в которых находятся данные пользовательских приложений, но эти страницы используются редко. Все это является причиной, чтобы перенести их в раздел swap и использовать оперативную память для других целей.

Вы можете с помощью команды free проверить, используется ли память swap; для примера, который я уже использовал выше, в последней строке выдаваемых данных показывается информация о размере памяти swap:

Мы видим, что на этом компьютере уже используется 24 мегабайта памяти swap и для использования доступно еще 462 Мб.

Таким образом, сам факт использования памяти swap не является доказательством того, что в системе при ее текущей рабочей нагрузке слишком мало оперативной памяти. Лучший способ это определить с помощью команды vmstat — если вы увидите, что много страниц памяти swap перемещаются на диск и обратно, то это означает, что память swap используется активно, что система «пробуксовывает» или что ей нужна новая оперативная память поскольку это ускорит подкачку данных приложений.

На моем ноутбуке Gentoo, когда он простаивает, это выглядит следующим образом:

Обратите внимание на то, что в выходных данных команды free у вас есть только 2 значения, относящихся к памяти swap: free (свободная память) и used (используемая память), но для памяти подкачки swap также есть еще одно важное значение: Swap cache (показатель кэширования памяти подкачки).

Кэширование памяти swap (Swap Cach)

Кеширование памяти swap по сути очень похоже на страничное кеширование. Страница данных пользовательского приложения, записываемая на диск, очень похожа на страницу данных файла, находящуюся на диске. Каждый раз, когда страница считывается из файла подкачки («si» в vmstat), она помещается в кэш подкачки. Так же, как страничное кэширование, все это выполняется ядром. Ядро решает, нужно ли вернуть обратно на диск конкретную страницу. Если в этом возникнет необходимость, то можно проверить, есть ли копия этой страницы на диске и можно просто выбросить страницу из памяти. Это избавит нас от затрат на переписывание страницы на диск.

Кэширование памяти swap действительно полезно только когда мы читаем данные из памяти swap и никогда в нее не делаем записи. Если мы выполняем запись на страницу, то копия на диске не будет соответствовать копии, находящейся в памяти. Если это случится, то мы должны произвести запись страницы на диск точно также, как мы делали это первый раз. Несмотря на то, что затраты на сохранение всей страницы больше, чем затраты на запись небольшого измененного кусочка, система будет работать лучше.

Поэтому, чтобы узнать, что память swap действительно используется, мы должны из значения SwapUsed вычесть значение SwapCached, вы можете найти эту информацию в /proc/meminfo.

Подкачка памяти

Когда приложению нужна память, а вся оперативная память полностью занята, то в распоряжении ядра есть два способа освободить память: оно может либо уменьшить размер дискового кэша в оперативной памяти, убирая устаревшие данные, либо оно может сбросить на диск в swap раздел несколько достаточно редко используемых порций (страниц) программы. Трудно предсказать, какой из способов будет более эффективным. Ядро, исходя из недавней истории действий в системе, делает попытку приблизительно отгадать на данный момент эффективность каждого из этих двух методов.

До ядер версии 2.6 у пользователя не было возможности влиять на эти оценки, так что могла возникнуть ситуации, когда ядро часто делало неправильный выбор, что приводило к пробуксовыванию и низкой производительности. В версии 2.6 ситуация с подкачкой памяти была изменена.

Подкачке памяти назначается значение от 0 до 100, которое изменяет баланс между подкачкой памяти приложений и освобождением кэш памяти. При значении 100 ядро всегда предпочтет найти неактивные страницы и сбросить их на диск в раздел swap; в других случаях этот сброс будет осуществляться в зависимости от того, сколько памяти занимает приложение и насколько трудно выпонять кэширование при поиске и удалении неактивных элементов.

По умолчанию для этого устанавливается значение 60. Значение 0 дает нечто близкое к старому поведению, когда приложения, которым нужна память, заставляли немного уменьшить размер кэша оперативной памяти. Для ноутбуков, для которых предпочтительно иметь диски с меньшей скоростью вращения, рекомендуется использовать значение 20 или меньше.

Заключение

В этой статье я поместил информацию, которая была мне полезной в моей работе в качестве системного администратора, и я надеюсь, что она может оказаться полезной и для вас.

Источник