05 | Linux内存回收——Swap机制

前言

上一节，我们通过一个斐波那契数列的案例，学习了内存泄漏的分析。如果在程序中直接或间接地分配了动态内存，一定要记得释放掉它们，否则就会导致内存泄漏，严重时甚至会耗尽系统内存。

反过来讲，当发生了内存泄漏时，或者运行了大内存的应用程序，导致系统的内存资源紧张时，系统又会如何应对呢？

在内存基础篇我们已经学过，这其实会导致两种可能结果，内存回收和 OOM 杀死进程。

• 内存回收，也就是系统释放掉可以回收的内存，比如前面讲过的缓存和缓冲区，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）。
• 内存资源紧张导致的 OOM（Out Of Memory），相对容易理解，指的是系统杀死占用大量内存的进程，释放这些内存，再分配给其他更需要的进程。

接下来重点讲解内存回收机制。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。这些脏页，一般可以通过两种方式写入磁盘。

• 可以在应用程序中，通过系统调用 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。

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。

除了文件页外，还有没有其他的内存可以回收呢？比如，应用程序动态分配的堆内存，也就是我们在内存管理中说到的匿名页（Anonymous Page），是不是也可以回收呢？

这些内存不能直接释放。因为它们很可能还要再次被访问啊，当然不能直接回收了。

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？

其实，这正是 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。

Swap原理

Swap 说白了就是把一块磁盘空间或者一个本地文件（以下讲解以磁盘为例），当成内存来使用。它包括换出和换入两个过程。

• 所谓换出，就是把进程暂时不用的内存数据存储到磁盘中，并释放这些数据占用的内存。
• 而换入，则是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。

可以发现，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。当然，现在的内存便宜多了，服务器一般也会配置很大的内存，那是不是说 Swap 就没有用武之地了呢？

当然不是。事实上，内存再大，对应用程序来说，也有不够用的时候。

一个很典型的场景就是，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。

除此之外，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。

话说回来，既然 Swap 是为了回收内存，那么 Linux 到底在什么时候需要回收内存呢？前面说的内存资源紧张，Linux又该怎么来衡量内存是不是紧张呢？

一个最容易想到的场景就是，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。

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），分别是

1. 页最小阈值（pages_min）
2. 页低阈值（pages_low）
3. 页高阈值（pages_high）

而剩余内存，则使用 pages_free 表示。这里画了一张图表示它们的关系。

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

NUMA 与 Swap

很多情况下，你会发现明明 Swap 升高了，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？

其实，这是处理器的 NUMA （Non-Uniform Memory 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。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。比如，下面就是一个 numactl 输出的示例：

$ numactl --hardware
available: 1 nodes (0)
node 0 cpus: 0 1
node 0 size: 7977 MB
node 0 free: 4416 MB
...

这个输出显示，我的系统中只有一个 Node，也就是 Node 0 ，而且编号为 0 和 1 的两个 CPU， 都位于 Node 0 上。另外，Node 0 的内存大小为 7977 MB，剩余内存为 4416 MB。

实际上，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。比如，下面就是一个 /proc/zoneinfo 文件的内容示例：

$ cat /proc/zoneinfo
...
Node 0, zone   Normal
 pages free     227894
       min      14896
       low      18620
       high     22344
...
     nr_free_pages 227894
     nr_zone_inactive_anon 11082
     nr_zone_active_anon 14024
     nr_zone_inactive_file 539024
     nr_zone_active_file 923986
...

这个输出中有大量指标，这里解释一下比较重要的几个。

• 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。

从这个输出结果可以发现，剩余内存远大于页高阈值，所以此时的 kswapd0 不会回收内存。

当然，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。它支持以下几个选项：

• 默认的 0 ，也就是刚刚提到的模式，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。

suappiness

到这里，我们就可以理解内存回收的机制了。这些回收的内存既包括了文件页，又包括了匿名页。

• 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。
• 而对匿名页的回收，其实就是通过 Swap 机制，把它们写入磁盘后再释放内存。

不过，你可能还有一个问题。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？

其实，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。

虽然 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。

案例分析

那么，当 Swap 使用升高时，要如何定位和分析呢？下面，我们就来看一个磁盘 I/O 的案例，实战分析和演练。

• 机器配置：Ubuntu 18.04，2 CPU，8GB 内存
• 预先安装 sysstat 等工具，如 apt install sysstat

首先，我们打开两个终端，分别 SSH 登录到两台机器上，并安装上面提到的这些工具。同以前的案例一样，接下来的所有命令都默认以 root 用户运行，如果你是用普通用户身份登陆系统，请运行 sudo su root 命令切换到 root 用户。

然后，在终端中运行 free 命令，查看 Swap 的使用情况。比如，在我的机器中，输出如下：

$ free
             total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:        8169348      331668     6715972         696     1121708     7522896
Swap:             0           0           0

从这个 free 输出你可以看到，Swap 的大小是 0，这说明我的机器没有配置 Swap。

为了继续 Swap 的案例， 就需要先配置、开启 Swap。如果你的环境中已经开启了 Swap，那你可以略过下面的开启步骤，继续往后走。

要开启 Swap，我们首先要清楚，Linux 本身支持两种类型的 Swap，即 Swap 分区和 Swap 文件。以 Swap 文件为例，在第一个终端中运行下面的命令开启 Swap，我这里配置 Swap 文件的大小为 8GB：

# 创建Swap文件
$ fallocate -l 8G /mnt/swapfile
# 修改权限只有根用户可以访问
$ chmod 600 /mnt/swapfile
# 配置Swap文件
$ mkswap /mnt/swapfile
# 开启Swap
$ swapon /mnt/swapfile

然后，再执行 free 命令，确认 Swap 配置成功：

$ free
             total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:        8169348      331668     6715972         696     1121708     7522896
Swap:       8388604           0     8388604

现在，free 输出中，Swap 空间以及剩余空间都从 0 变成了 8GB，说明 Swap 已经正常开启。

接下来，在第一个终端中，运行下面的 dd 命令，模拟大文件的读取：

# 写入空设备，实际上只有磁盘的读请求
$ dd if=/dev/sda1 of=/dev/null bs=1G count=2048

接着，在第二个终端中运行 sar 命令，查看内存各个指标的变化情况。你可以多观察一会儿，查看这些指标的变化情况。

# 间隔1秒输出一组数据
# -r表示显示内存使用情况，-S表示显示Swap使用情况
$ sar -r -S 1
04:39:56    kbmemfree   kbavail kbmemused  %memused kbbuffers  kbcached  kbcommit   %commit  kbactive   kbinact   kbdirty
04:39:57      6249676   6839824   1919632     23.50    740512     67316   1691736     10.22    815156    841868         4

04:39:56    kbswpfree kbswpused  %swpused  kbswpcad   %swpcad
04:39:57      8388604         0      0.00         0      0.00

04:39:57    kbmemfree   kbavail kbmemused  %memused kbbuffers  kbcached  kbcommit   %commit  kbactive   kbinact   kbdirty
04:39:58      6184472   6807064   1984836     24.30    772768     67380   1691736     10.22    847932    874224        20

04:39:57    kbswpfree kbswpused  %swpused  kbswpcad   %swpcad
04:39:58      8388604         0      0.00         0      0.00

......
......
......

04:44:06    kbmemfree   kbavail kbmemused  %memused kbbuffers  kbcached  kbcommit   %commit  kbactive   kbinact   kbdirty
04:44:07       152780   6525716   8016528     98.13   6530440     51316   1691736     10.22    867124   6869332         0

04:44:06    kbswpfree kbswpused  %swpused  kbswpcad   %swpcad
04:44:07      8384508      4096      0.05        52      1.27

可以看到，sar 的输出结果是两个表格，第一个表格表示内存的使用情况，第二个表格表示 Swap 的使用情况。其中，各个指标名称前面的 kb 前缀，表示这些指标的单位是 KB。

去掉前缀后，你会发现，大部分指标我们都已经见过了，剩下的几个新出现的指标，这里简单介绍一下。

• kbcommit，表示当前系统负载需要的内存。它实际上是为了保证系统内存不溢出，对需要内存的估计值。%commit，就是这个值相对总内存的百分比。
• kbactive，表示活跃内存，也就是最近使用过的内存，一般不会被系统回收。
• kbinact，表示非活跃内存，也就是不常访问的内存，有可能会被系统回收。

清楚了界面指标的含义后，我们再结合具体数值，来分析相关的现象。你可以清楚地看到，总的内存使用率（%memused）在不断增长，从开始的 23% 一直长到了 98%，并且主要内存都被缓冲区（kbbuffers）占用。具体来说：

• 刚开始，剩余内存（kbmemfree）不断减少，而缓冲区（kbbuffers）则不断增大，由此可知，剩余内存不断分配给了缓冲区。
• 一段时间后，剩余内存已经很小，而缓冲区占用了大部分内存。这时候，Swap 的使用开始逐渐增大，缓冲区和剩余内存则只在小范围内波动。

为什么缓冲区在不停增大？这又是哪些进程导致的呢？

显然，我们还得看看进程缓存的情况。在前面缓存的案例中我们学过， cachetop 正好能满足这一点。那我们就来 cachetop 一下。在第二个终端中，按下 Ctrl+C 停止 sar 命令，然后运行下面的 cachetop 命令，观察缓存的使用情况：

$ cachetop 5
12:28:28 Buffers MB: 6349 / Cached MB: 87 / Sort: HITS / Order: ascending
PID      UID      CMD              HITS     MISSES   DIRTIES  READ_HIT%  WRITE_HIT%
   18280 root     python                 22        0        0     100.0%       0.0%
   18279 root     dd                  41088    41022        0      50.0%      50.0%

通过 cachetop 的输出，我们看到，dd 进程的读写请求只有 50% 的命中率，并且未命中的缓存页数（MISSES）为 41022（单位是页）。这说明，正是案例开始时运行的 dd，导致了缓冲区使用升高。

为什么 Swap 也跟着升高了呢？直观来说，缓冲区占了系统绝大部分内存，还属于可回收内存，内存不够用时，不应该先回收缓冲区吗？

这种情况，我们还得进一步通过 /proc/zoneinfo ，观察剩余内存、内存阈值以及匿名页和文件页的活跃情况。

在第二个终端中，按下 Ctrl+C，停止 cachetop 命令。然后运行下面的命令，观察 /proc/zoneinfo 中这几个指标的变化情况：

# -d 表示高亮变化的字段
# -A 表示仅显示Normal行以及之后的15行输出
$ watch -d grep -A 15 'Normal' /proc/zoneinfo
Node 0, zone   Normal
  pages free     21328
        min      14896
        low      18620
        high     22344
        spanned  1835008
        present  1835008
        managed  1796710
        protection: (0, 0, 0, 0, 0)
      nr_free_pages 21328
      nr_zone_inactive_anon 79776
      nr_zone_active_anon 206854
      nr_zone_inactive_file 918561
      nr_zone_active_file 496695
      nr_zone_unevictable 2251
      nr_zone_write_pending 0

可以发现，剩余内存（pages_free）在一个小范围内不停地波动。当它小于页低阈值（pages_low) 时，又会突然增大到一个大于页高阈值（pages_high）的值。

再结合刚刚用 sar 看到的剩余内存和缓冲区的变化情况，我们可以推导出，剩余内存和缓冲区的波动变化，正是由于内存回收和缓存再次分配的循环往复。

• 当剩余内存小于页低阈值时，系统会回收一些缓存和匿名内存，使剩余内存增大。其中，缓存的回收导致 sar 中的缓冲区减小，而匿名内存的回收导致了 Swap 的使用增大。
• 紧接着，由于 dd 还在继续，剩余内存又会重新分配给缓存，导致剩余内存减少，缓冲区增大。

其实还有一个有趣的现象，如果多次运行 dd 和 sar，你可能会发现，在多次的循环重复中，有时候是 Swap 用得比较多，有时候 Swap 很少，反而缓冲区的波动更大。

换句话说，系统回收内存时，有时候会回收更多的文件页，有时候又回收了更多的匿名页。

显然，系统回收不同类型内存的倾向，似乎不那么明显。你应该想到了前面提到过的 swappiness，正是调整不同类型内存回收的配置选项。

在第二个终端中，按下 Ctrl+C 停止 watch 命令，然后运行下面的命令，查看 swappiness 的配置：

$ cat /proc/sys/vm/swappiness
60

swappiness 显示的是默认值 60，这是一个相对中和的配置，所以系统会根据实际运行情况，选择合适的回收类型，比如回收不活跃的匿名页，或者不活跃的文件页。

到这里，我们已经找出了 Swap 发生的根源。另一个问题就是，刚才的 Swap 到底影响了哪些应用程序呢？换句话说，Swap 换出的是哪些进程的内存？

这里还是推荐 proc 文件系统，用来查看进程 Swap 换出的虚拟内存大小，它保存在 /proc/pid/status 中的 VmSwap 中（执行 man proc 可查询其他字段的含义）。

在第二个终端中运行下面的命令，就可以查看使用 Swap 最多的进程。注意 for、awk、sort 都是最常用的 Linux 命令，如果你还不熟悉，可以用 man 来查询它们的手册，或上网搜索教程来学习。

# 按VmSwap使用量对进程排序，输出进程名称、进程ID以及SWAP用量
$ for file in /proc/*/status ; do awk '/VmSwap|Name|^Pid/{printf $2 " " $3}END{ print ""}' $file; done | sort -k 3 -n -r | head
dockerd 2226 10728 kB
docker-containe 2251 8516 kB
snapd 936 4020 kB
networkd-dispat 911 836 kB
polkitd 1004 44 kB

从这里你可以看到，使用 Swap 比较多的是 dockerd 和 docker-containe 进程，所以，当 dockerd 再次访问这些换出到磁盘的内存时，也会比较慢。

这也说明了一点，虽然缓存属于可回收内存，但在类似大文件拷贝这类场景下，系统还是会用 Swap 机制来回收匿名内存，而不仅仅是回收占用绝大部分内存的文件页。

最后，如果你在一开始配置了 Swap，不要忘记在案例结束后关闭。你可以运行下面的命令，关闭 Swap：

$ swapoff -a

实际上，关闭 Swap 后再重新打开，也是一种常用的 Swap 空间清理方法，比如：

$ swapoff -a && swapon -a 

小结

在内存资源紧张时，Linux 通过直接内存回收和定期扫描的方式，来释放文件页和匿名页，以便把内存分配给更需要的进程使用。

• 文件页的回收比较容易理解，直接清空缓存，或者把脏数据写回磁盘后再释放内存。
• 而对不常访问的匿名页，则需要通过 Swap 换出到磁盘中，这样在下次访问的时候，再次从磁盘换入到内存中就可以了。

开启 Swap 后，你可以设置 /proc/sys/vm/min_free_kbytes ，来调整系统定期回收内存的阈值，也可以设置 /proc/sys/vm/swappiness ，来调整文件页和匿名页的回收倾向。

在 NUMA 架构下，每个 Node 都有自己的本地内存空间，而当本地内存不足时，默认既可以从其他 Node 寻找空闲内存，也可以从本地内存回收。可以通过设置 /proc/sys/vm/zone_reclaim_mode ，来调整 NUMA 本地内存的回收策略。

当 Swap 变高时，你可以用 sar、/proc/zoneinfo、/proc/pid/status 等方法，查看系统和进程的内存使用情况，进而找出 Swap 升高的根源和受影响的进程。

反过来说，通常降低 Swap 的使用，可以提高系统的整体性能。要怎么做呢？这里也总结了几种常见的降低方法。

• 禁止 Swap，现在服务器的内存足够大，所以除非有必要，禁用 Swap 就可以了。随着云计算的普及，大部分云平台中的虚拟机都默认禁止 Swap。
• 如果实在需要用到 Swap，可以尝试降低 swappiness 的值，减少内存回收时 Swap 的使用倾向。
• 响应延迟敏感的应用，如果它们可能在开启 Swap 的服务器中运行，你还可以用库函数 mlock() 或者 mlockall() 锁定内存，阻止它们的内存换出。

参考

《Linux 性能优化实战》
倪朋飞
微软资深工程师，Kubernetes项目维护者