Linux交换空间（swap space）

每次安装Linux的时候，都会要求配置交换分区，那么这个分区是干嘛的呢？不设置这个分区有什么后果？如果一定要设置，设置多大比较合适？本篇将试图回答这些问题并尽量覆盖所有swap相关的知识。

下面的所有例子都在ubuntu-server-x86_64 16.04下执行通过

什么是swap?

swap space是磁盘上的一块区域，可以是一个分区，也可以是一个文件，或者是他们的组合。简单点说，当系统物理内存吃紧时，Linux会将内存中不常访问的数据保存到swap上，这样系统就有更多的物理内存为各个进程服务，而当系统需要访问swap上存储的内容时，再将swap上的数据加载到内存中，这就是我们常说的swap out和swap in。

为什么需要swap?

要回答这个问题，就需要回答swap给我们带来了哪些好处。

• 对于一些大型的应用程序(如LibreOffice、video editor等)，在启动的过程中会使用大量的内存，但这些内存很多时候只是在启动的时候用一下，后面的运行过程中很少再用到这些内存。有了swap后，系统就可以将这部分不这么使用的内存数据保存到swap上去，从而释放出更多的物理内存供系统使用。

• 很多发行版(如ubuntu)的休眠功能依赖于swap分区，当系统休眠的时候，会将内存中的数据保存到swap分区上，等下次系统启动的时候，再将数据加载到内存中，这样可以加快系统的启动速度，所以如果要使用休眠的功能，必须要配置swap分区，并且大小一定要大于等于物理内存

• 在某些情况下，物理内存有限，但又想运行耗内存的程序怎么办？这时可以通过配置足够的swap空间来达到目标，虽然慢一点，但至少可以运行。

• 虽然大部分情况下，物理内存都是够用的，但是总有一些意想不到的状况，比如某个进程需要的内存超过了预期，或者有进程存在内存泄漏等，当内存不够的时候，就会触发内核的OOM killer，根据OOM killer的配置，某些进程会被kill掉或者系统直接重启（默认情况是优先kill耗内存最多的那个进程），不过有了swap后，可以拿swap当内存用，虽然速度慢了点，但至少给了我们一个去debug、kill进程或者保存当前工作进度的机会。

• 如果看过Linux内存管理，就会知道系统会尽可能多的将空闲内存用于cache，以加快系统的I/O速度，所以如果能将不怎么常用的内存数据移动到swap上，就会有更多的物理内存用于cache，从而提高系统整体性能。

swap的缺点?

上面介绍了swap的优点，那swap的缺点呢？swap是存放在磁盘上的，磁盘的速度和内存比较起来慢了好几个数量级，如果不停的读写swap，那么对系统的性能肯定有影响，尤其是当系统内存很吃紧的时候，读写swap空间发生的频率会很高，导致系统运行很慢，像死了一样，这个时候添加物理内存是唯一的解决办法。

由于系统会自动将不常用的内存数据移到swap上，对桌面程序来说，有可能会导致最小化一个程序后，再打开时小卡一下，因为需要将swap上的数据重新加载到内存中来。

到底要不要swap？

上面介绍了什么是swap以及它们的优缺点，那么到底要不要配置swap呢？答案是：看情况。

下面分别讨论内存不够用、内存勉强够用和内存很充裕这三种情况下服务器和桌面环境对swap的选择。

内存不够用

不管是桌面还是服务器，当物理内存明显不够用，而又想跑程序的话，添加swap是唯一的选择，慢点总比不能工作强。

内存勉强够用

建议配置swap，这样内核会将不常用的数据从内存移到swap上，从而有更多的物理内存供系统调用，提升系统性能，同时也避免因偶尔的物理内存不够造成进程异常退出，提升系统稳定性，但对服务器来说，一定要限制或者监控swap空间的使用情况，当出现swap空间使用超预期或者swap in/out频繁时，要及时采取措施，不然对性能影响很大

内存充裕

理论上来说，如果物理内存足够多并且不需要休眠功能，那swap就没什么用，可关键问题是我们很难保证物理内存在任何情况下都够用，因为总有意想不到的情况发生，比如某些进程耗内存超预期，服务器压力超预期，内存泄漏等。

在内存充裕的这种情况下，如果发生异常，swap能帮到我们吗？

桌面环境

一般不会开什么监控功能，所以也没法提前预知内存使用异常，当内存被用光的时候，分两种情况：

• 配置了swap：在系统变慢的时候能感觉到，可能还有机会杀掉一些进程和保存当前工作进度，当然也会出现慢的想砸电脑的情况，不过在磁盘如此廉价的情况下，浪费点磁盘空间换取这样的一个机会还是值得的。

• 没有配置swap：内核的OOM killer被触发，可能连保存工作进度的机会都没有。

服务器环境

服务器一般都会配置监控程序，当内存用量达到一个阈值的时候告警或者会自动重启异常的进程。但如果没有监控呢？当内存被用光的时候，分两种情况：

• 配置了swap：这时服务器还能提供服务，但性能会降低好几个档次，直到最终处于几乎死机状态，并且这一过程将持续很长一段时间，对服务器来说是个灾难；所以配置swap只能让服务再苟延残喘一会儿，然后就是长时间的服务中断(比如原来是每秒处理1000个请求的服务器，由于频繁使用swap，导致现在每秒只能处理50个请求，站在系统角度，进程还在运行，但是在业务角度服务已经几乎中断了)。

• 没配置swap：这时内核的OOM killer被触发，在默认配置下，耗内存的进程会被优先kill掉，这种进程一般就是我们的业务进程，这时守护进程就会自动重启该业务进程(没有守护进程？开什么玩笑)，这种情况只会造成服务中断一会会儿(取决于进程重启的时间)，不会出现上面因配置了swap而导致性能很差且服务持续中断的情况。就算OOM killer没有kill掉预期的进程，我们通过测试也能发现，然后将OOM killer配置成重启系统，那也比配置了swap在那里苟延残喘的好。

从上面可以看出，对服务器来说，似乎不配置swap更好，可以让有问题的进程尽快重启，缩短业务受影响的时间。

并且，就算没有配置监控程序，我们还有cgroups中的内存控制模块，可以控制一组进程所能使用的最大内存数，当超过这个数的时候，可以触发相应的行为，比如重启进程等。

总的来说，对于桌面环境来说，一般内存没有服务器端那么充裕，并且由于使用场景原因，会打开很多不同类型的GUI窗口，但前台的进程只有一个，大部分都是在后台待命，所以配置swap对提升性能还是有必要的；对于服务器来说，配置的内存都比较充裕，启动起来的进程也都是要干活的进程(不然就不应该被启动起来)，并且也没有休眠的需求，再加上有了cgroups之后，可以更轻松的限制进程的内存使用，个人认为配置swap基本没什么必要了，看看coreos，默认就没有swap。

swap大小配置多少比较合适？

既然配置swap对桌面系统有帮助，那么配置多少大小的swap比较合适呢？下面是ubuntu给出的建议：

• 当物理内存小于1G且不需要休眠时，设置和内存同样大小的swap空间即可；当需要休眠时，建议配置两倍物理内存的大小，但最大值不要超过两倍内存大小

• 当物理内存大于1G且不需要休眠时，建议大小为round(sqrt(RAM))，其中RAM为物理内存大小；当需要休眠时，建议大小是RAM+round(sqrt(RAM))，但最大值不要超过两倍内存大小

• 如果两倍物理内存大小的swap空间还不够用，建议增加内存而不是增加swap

下面是详细的不同物理内存情况下的建议，第一列是物理内存的大小，第二列和第三列是不需要和需要休眠两种情况下推荐的大小，第四列是不要超过的最大值

 物理内存(MB)  不需要休眠  需要休眠  最大值
 256          256       512     512
 512          512       1024    1024
 1024         1024      2048    2048

物理内存(GB)  不需要休眠  需要休眠  最大值
  1          1         2        2
  2          1         3        4
  3          2         5        6
  4          2         6        8
  5          2         7        10
  6          2         8        12
  8          3         11       16
  12         3         15       24
  16         4         20       32
  24         5         29       48
  32         6         38       64
  64         8         72       128
  128        11       139       256

怎么配置swap？

当我们确定好配置多大的swap空间后，具体应该怎么配置呢？当然可以在系统安装的时候分配好，但如果对安装时分配的大小不满意，我们还可以在后面进行调整。在这里将不介绍安装的时候怎么配，只介绍如何往系统中添加更多的swap空间。

Linux下有两种类型的swap空间，swap分区和swap文件，他们有各自的特点：

• swap分区上面由于没有文件系统，所以相当于内核直接访问连续的磁盘空间，效率相对要高点，但由于swap分区一般安装系统时就分配好了了，后期要缩减空间和扩容都很不方便。

• swap文件放在指定分区的文件系统里面，所以有可能受文件系统性能的影响，但据说2.6版本以后的内核可以直接访问swap文件对应的物理磁盘地址，相当于跳过了文件系统直接访问磁盘，不过如果swap文件在磁盘上的物理位置不连续时，还是会对性能产生不利影响，但其优点就是灵活，随时可以增加和移除swap文件。

查看系统中已经配置的swap

使用命令swapon -s即可查看系统中在用的swap

dev@dev:~$ swapon -s
Filename                Type        Size    Used    Priority
/dev/dm-1               partition   524284  0       -1

如果配置有多个swap分区或者文件的话，这里将会有多行，每行代表一个正在被系统使用的swap分区或文件，下面是每个字段的意思：

• Filename：如果swap类型是分区，这里将是分区的路径，如果swap类型是文件，这里将是文件的路径

• Type：swap的类型，partition代表这是一个swap分区，file代表这是一个swap文件

• Size：swap的大小，单位是k，这里524284表示的差不多是512M

• Used：已经被使用的大小，这里0表示还没有被使用到

• Priority：优先级，优先级高的swap将会被优先使用，同等优先级的swap将会被均匀的使用（round-robin算法），优先级可以通过“swapon -p”命令来设置

查看系统中swap in/out的情况

并不是swap空间占用多就一定性能下降，真正影响性能是swap in和out的频率，频率越高，对系统的性能影响越大，我们可以通过vmstat命令来查看swap in/out的频率

#参数2表示每两秒统计一次，si和so两列就是每秒swap in和out的次数
dev@ubuntu:~$ vmstat 2
procs------------memory--------------swap----io-----system-----------cpu-----
 r b    swpd  free  buff cache      si so   bi bo   in  cs      us sy id wa st
 0 0    70232 75620 7940 209476     0  0    0  0    111 180     0  1  99 0  0
 0 0    70232 75620 7940 209476     0  0    0  0    116 186     1  1  99 0  0
 0 0    70228 75620 7940 209476     2  0    2  0    120 193     1  1  98 1  0
 0 0    70228 75620 7940 209476     0  0    0  0    117 186     0  0  100 0 0
 0 0    70228 75620 7940 209476     0  0    0  0    113 184     0  1  99 0  0

添加swap分区

在添加swap分区前，首先得有一个空闲的分区，如果是一块新的磁盘，可以用fdisk来创建一个新的分区用于swap。

注意：磁盘分区操作一定要小心，弄不好就会造成数据丢失、系统挂掉的后果。磁盘分区操作不是本篇要介绍的内容，所以这里不会讨论fdisk怎么用。

#本篇使用的测试环境是虚拟机，/dev/sdb是一块新加的硬盘并且已经用fdisk创建好了一个分区
#本例中将使用/dev/sdb1这个分区
dev@dev:~$ sudo fdisk -l /dev/sdb
Device     Boot Start     End Sectors Size Id Type
/dev/sdb1        2048 4194303 4192256   2G 83 Linux

#创建swap分区
dev@dev:~$ sudo mkswap /dev/sdb1
Setting up swapspace version 1, size = 2 GiB (2146430976 bytes)
no label, UUID=d69621de-618a-4bea-9a96-b8e8b0d0ea40

#查看系统中现在正在使用的swap，以便于和添加后做比较
dev@dev:~$ swapon -s
Filename                Type        Size    Used    Priority
/dev/dm-1                               partition   524284  0   -1

#将新的分区加入到系统中
dev@dev:~$ sudo swapon /dev/sdb1

#这时候可以看到新的swap分区已经被加入到系统中了，并且优先级比原来的要低
dev@dev:~$ swapon -s
Filename                Type        Size    Used    Priority
/dev/dm-1               partition   524284  0       -1
/dev/sdb1               partition   2096124 0       -2

#为了保证系统重启后会自动加载我们新的swap分区，需要修改/etc/fstab文件
dev@dev:~$ sudo sh -c 'echo "/dev/sdb1 none  swap    sw   0    0" >> /etc/fstab'
#查看一下，确保写入成功，这里的第一条是原来的系统的swap分区，第二条是我们刚添加的
dev@dev:~$ grep swap /etc/fstab
/dev/mapper/dev--vg-swap_1 none            swap    sw              0       0
/dev/sdb1 none  swap    sw   0    0

添加swap文件

添加swap文件就简单多了，也没有分区操作那么有风险。

#先创建一个新的512M的文件，用来作为swap文件，文件路径可以随便
#fallocate这个命令依赖于文件系统，有些老的文件系统不支持这个命令，比如ext2，
#这种情况下可以用dd来实现同样的效果：
#sudo dd if=/dev/zero of=/mnt/512MiB.swap bs=1024 count=524288
#fallocate和dd的区别在于：
#fallocate是先声明这么多，然后在具体用到的时候文件系统才分配真正的物理磁盘空间，就是用一点分配一点，
#而dd是一开始就实实在在的写了512m的数据到物理磁盘空间。
#所以作为测试来说fallocate方便些，因为刚开始不用写任何数据，要快
dev@dev:~$ sudo fallocate -l 512m /mnt/512MiB.swap

#修改文件的权限，避免其他用户对这个文件进行误操作
dev@dev:~$ sudo chmod 600 /mnt/512MiB.swap

#格式化为swap文件
dev@dev:~$ sudo mkswap /mnt/512MiB.swap

#将新的文件加入到系统中
dev@dev:~$ sudo swapon /mnt/512MiB.swap

#这时候可以看到新的swap文件已经被加入到系统中了，类型为file
#这里可以看到由于优先级最高，第一个swap分区/dev/dm-1已经被使用了24K
dev@dev:~$ swapon -s
Filename                Type        Size    Used    Priority
/dev/dm-1               partition   524284  24      -1
/dev/sdb1               partition   2096124 0       -2
/mnt/512MiB.swap        file        524284  0       -3

#从free命令的输出可以看到，经过前面两轮添加swap分区和文件，
#现在系统的交换空间已经变成3G(3144692K)了
dev@dev:~$ free
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:         500192       39112        9564        1996      451516      430820
Swap:       3144692          24     3144668

#同样为了保证系统重启后会自动加载我们新的swap文件，需要修改/etc/fstab文件
dev@dev:~$ sudo sh -c 'echo "/mnt/512MiB.swap none  swap    sw   0    0" >> /etc/fstab'

注意：不是所有的文件系统都支持创建swap文件，如btrfs，在btrfs分区里创建swap文件将失败。

取消所有的swap

如果经过深思熟虑之后，确定不再需要swap，那么可以将所有的swap分区和文件从系统中移除，步骤和上面的刚好相反

#停掉所有系统正在使用的swap
dev@dev:~$ sudo swapoff -a

#swapon -s命令没有任何输出，free命令显示swap空间为0，说明swapoff成功
dev@dev:~$ swapon -s
dev@dev:~$ free
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:         500192       35924      348888        2004      115380      433924
Swap:             0           0           0

#当然我们还需要修改/etc/fstab，否则下次重启后，系统又会重新挂载相应的swap分区和文件
#使用自己喜欢的编辑器，将/etc/fstab中跟swap相关的三行删掉即可(本例中是三行，请根据实际情况调整)

如何优化swap性能?

怎么配置swap可以让它的性能更好呢？

• 尽量使用swap分区，相对于swap文件来说，分区肯定是连续的物理磁盘空间，而swap文件有可能不是

• 将swap分区和系统所在的分区放在不同的磁盘上，这样就不会和系统盘抢同一个磁盘的I/O带宽

• 如果有多块磁盘的话，可以在每个盘上创建一个swap分区，并且将它们的优先级设置的一样，这样内核就会平均的访问这些swap分区，性能相当于原来的N倍(这里N是磁盘的数量)

不过话又说回来了，如果频繁的访问swap的话，怎么优化swap都没用，跟内存比还是低几个数量级，性能还是下降的厉害，如果不频繁访问swap的话，优化swap又有啥意义呢？所以其实优化swap性能的实际意义不大，这里了解一下就好。

配置swappiness

有时我们桌面环境确实配置了比较充裕的内存，并且也配置了swap空间，这个时候就希望尽量减少swap空间的使用，避免对系统性能造成影响，Linux早就帮我们考虑到这种情况了，在2.6内核中，增加了一个叫做swappiness的参数，用于配置需要将内存中不常用的数据移到swap中去的紧迫程度。这个参数的取值范围是0～100，0告诉内核尽可能的不要将内存数据移到swap中，也即只有在迫不得已的情况下才这么做，而100告诉内核只要有可能，尽量的将内存中不常访问的数据移到swap中。

Ubuntu的desktop和server的默认配置都是60(可能会随着版本变化)，对于桌面环境来说，界面的响应速度直接关系到系统的流畅程度，如果内存比较充裕的话，可以将这个值设置的小一点，这样就尽可能的把数据留在内存中，从而唤醒后台界面程序会更快一些，Ubuntu desktop建议将该值设置为10，当然大家可以根据swap空间的实际使用情况，任意调整这个参数，直到自己满意的水平为止。对于服务器来说，主要性能衡量标准是整体的处理能力，而不是具体某一次的响应速度，能把更多的内存用来做I/O cache可能效果更好，所以Ubuntu server建议保持60的默认值。

• 查看当前系统中swappiness的值

dev@dev:~$ cat /proc/sys/vm/swappiness
60

• 修改当前系统中swappiness的值

dev@dev:~$ sudo sysctl vm.swappiness=10
vm.swappiness = 10
dev@dev:~$ cat /proc/sys/vm/swappiness
10

上面通过sysctl修改的swappiness值在系统重启后会失效，要想重启后继续生效，需要修改配置文件/etc/sysctl.conf，将下面这行修改成10，如果文件中找不到这行的话，在文件末位加上这行就可以了

vm.swappiness=10

参考

• All about Linux swap space

• Swap Faq