Linux what is swap partition

Swap (Русский)

Эта страница дает ознакомление с пространством подкачки и подкачкой страниц в GNU/Linux. Охватывает создание, активацию файлов и разделов подкачки.

Linux делит свою физическую RAM (оперативную память) на кусочки памяти, называемые страницами. Подкачка (swapping) это процесс, когда страницы памяти копируются на предварительно сконфигурированное пространство на жестком диске, называемое пространством подкачки, чтобы освободить эту страницу из памяти. Суммарный размер оперативной памяти и пространства подкачки это количество доступной виртуальной памяти.

Поддержка подкачки обеспечивается ядром Linux и утилитами в пользовательском пространстве из util-linux пакета.

Contents

Пространство подкачки

Пространство подкачки может быть разделом диска или файлом. Пользователи могут создать пространство подкачки во время установки или позднее в любое желаемое время. Пространство подкачки может быть использовано для двух целей, расширить виртуальную память за пределы установленной оперативной памяти (RAM), а также для сохранения данных при гибернации (suspend-to-disk).

Иногда стоит включать Swap в зависимости от установленной оперативной памяти и количества требований для запуска желаемых программ. Если количество оперативной памяти меньше требуемого, тогда стоит включить подкачку. Это позволяет избежать состояния нехватки памяти (OOM), при котором механизм ядра Linux, OOM Killer, будет автоматически пытаться освободить память, убивая процессы. Чтобы увеличить количество виртуальной памяти до требуемого уровня, добавьте необходимую разницу как пространство подкачки. Например, если программа требует 7,5 GB памяти для запуска, а у вас установлено 4 GB оперативной памяти, добавьте разницу 3,5 GB как подкачку. В будущем добавляйте больше пространства к подкачке, учитывая требования. Это вопрос личных предпочтений если вы считаете, что программы должны быть убиты, вместо включения подкачки. Самый большой недостаток в подкачке это снижение производительности, см. раздел #Производительность

Для проверки статуса подкачки, используйте:

free также покажет недостаток памяти, который может быть исправлен включением или увеличением подкачки.

Раздел подкачки

Раздел подкачки может быть создан различными GNU/Linux утилитами разметки. Разделы подкачки обычно обозначаются как тип 82 . Хотя есть возможность использовать разные типы как подкачку, рекомендуется использовать тип 82 , в большинстве случаев systemd, будет автоматически определять его и монтировать (см. ниже)

Для установки раздела как область Linux подкачки, можно использовать mkswap . Например:

Для подключения устройства как подкачку:

Чтобы подключить этот раздел подкачки при загрузке, добавьте запись в fstab:

где может быть получен из команды:

Активация используя systemd

Активация разделов подкачки в systemd базируется на двух различных механизмах. Оба исполняются в /usr/lib/systemd/system-generators . Генераторы запускаются при старте системы и создают нативные systemd юниты для монтирования. Первый systemd-fstab-generator , читает fstab, чтобы генерировать юниты, включая юнит для подкачки. Второй systemd-gpt-auto-generator , осматривает корневой диск, чтобы генерировать юниты. Это операция проходит только на GPT дисках и может идентифицировать разделы подкачки по их тип коду 82 .

Отключение подкачки

Чтобы деактивировать определенное пространство подкачки:

Также можно использовать -a ключ, чтобы деактивировать все пространства подкачки.

С тех пор, как systemd управляет подкачкой, она вновь будет активирована при старте системы, для долговременного отключения автоматической активации найденных пространств подкачки, выполните systemctl —type swap , чтобы найти связанные со .swap юниты и замаскируйте (systemctl mask юнит) их.

Файл подкачки

Как альтернатива к созданию целого раздела, файл подкачки даёт возможность менять свой размер на лету, а также его гораздо легче полностью удалить. Это может быть особенно важно, если дисковое пространство ограничено (например, небольшие SSD)

Вручную

Создание файла подкачки

Использовать под суперпользователем fallocate , чтобы создать файл подкачки размером на свой выбор (M = Mebibytes, G = Gibibytes). Например создание 512 MiB файла подкачки:

Установите права доступа (всеми читаемый файл подкачки это огромная локальная уязвимость)

После создания файла нужного размера, форматируйте его в подкачку:

Активируйте файл подкачки:

В завершении, отредактируйте fstab, добавив запись для файла подкачки:

Удаление файла подкачки

Чтобы удалить файл подкачки, сначала нужно отключить подкачку, а затем файл может быть удален:

В завершении, удалите соответствующую запись из /etc/fstab .

Автоматически

systemd-swap

Установить systemd-swap пакет. Установить swapfc_enabled=1 в Swap File Chunked разделе файла /etc/systemd/swap.conf . Start/enable systemd-swap сервис. Посетить страницу авторов на GitHub для получения подробностей и установить рекомендуемую конфигурацию.

Подкачка с USB устройства

Благодаря модульности, предлагаемой Linux, мы можем иметь множество разделов подкачки на различных устройствах. Если у вас полностью заполнен жесткий диск, то можно использовать USB устройство как временный раздел подкачки. Однако, этот метод имеет серьёзные недостатки:

• USB устройство медленнее чем жесткий диск
• Flash память имеет ограниченное количество циклов записи. Использование его как раздела подкачки, может быстро убить его.

Чтобы добавить USB устройство как подкачку, сначала необходимо разметить USB флешку для подкачки как описано в секции #Раздел подкачки.

Далее откройте /etc/fstab и добавьте

в опции монтирования первоначальной записи подкачки, таким образом USB подкачка будет иметь приоритет записи над старым разделом.

Данная инструкция будет работать и для других устройств хранения, таких как SD карты и т.д.

Шифрование подкачки

Производительность

Операции подкачки как правило существенно медленнее чем непосредственный доступ к RAM. Отключение подкачки полностью для повышения производительности, иногда может привести к ухудшению, поскольку это уменьшает доступную память для VFS кеша, вызывая более частые и дорогостоящие операции ввода/вывода.

Значения подкачки можно настроить, чтобы помочь производительности:

Swappiness

Swappiness sysctl параметр представляющий частоту использования пространства подкачки. Swappiness может иметь значение от 0 до 100, значение по умолчанию = 60. Низкое значение заставляет ядро избегать подкачки, высокое значение позволяет ядру использовать подкачку наперёд. Использование низкого значения на достаточном количестве памяти, улучшает отзывчивость на многих системах.

Чтобы проверить текущее значение swappiness:

Чтобы временно установить значение swappiness:

Чтобы постоянно установить значение swappiness, отредактируйте (создайте) конфигурационный файл sysctl

Чтобы проверить и больше узнать, почему оно так работает, посмотрите эту статью.

VFS cache pressure

Другой sysctl параметр, который действует на производительность подкачки это vm.vfs_cache_pressure , он контролирует склонность ядра к применению памяти, которая используется для кэширования VFS caches, напротив кэширования страниц и подкачки. Увеличение этого значения увеличивает коэффициент с которым VFS caches применяется[2] [устаревшая ссылка 2020-08-06] . Для подробной информации смотри документацию ядра Linux.

Приоритет

Если у вас больше одного файла или раздела подкачки, вы должны учитывать присвоение приоритетного значения (от 0 до 32767) для каждой области подкачки. Система будет использовать области подкачки с высоким приоритетом, перед использованием областей с низким приоритетом. Например, если у вас быстрый диск ( /dev/sda ) и медленный ( /dev/sdb ), назначьте высокий приоритет для подкачки расположенной на быстром устройстве. Приоритет может быть назначен в fstab как pri параметр:

Или как параметр в swapon —priority

Если две или более областей будут иметь одинаковый приоритет и он будет самым высоким из доступным приоритетов, то страницы будут распределяться по кругу между областями.

Использование zswap или zram

Zswap это особенность ядра Linux, обеспечивающая сжатие обратного кэша для страниц подкачки. Она увеличивает производительность и уменьшает операции ввода/вывода. ZRAM создаёт виртуальный сжатый файл подкачки в памяти, как альтернатива файлу подкачки на диске.

Чередование

Нет необходимости использовать RAID для повышения производительности подкачки. Ядро самостоятельно может чередовать подкачку на нескольких устройствах, если вы присвоите им одинаковый приоритет в /etc/fstab . Для подробной информации смотри The Software-RAID HOWTO.

Источник

В защиту swap’а [в Linux]: распространенные заблуждения

Прим. перев.: Эта увлекательная статья, в подробностях раскрывающая предназначение swap в Linux и отвечающая на распространённое заблуждение на этот счёт, написана Chris Down — SRE из Facebook, который, в частности, занимается разработкой новых метрик в ядре, помогающих анализировать нагрузку на оперативную память. И начинает он своё повествование с лаконичного TL;DR…

Предисловие

Работая над улучшением и использованием cgroup v2, я успел поговорить со многими инженерами об их отношении к управлению памяти, особенно о поведении приложения под нагрузкой и об эвристическом алгоритме операционной системы, используемым «под капотом» для управления памятью.

Повторяющейся темой этих обсуждений стал swap. Тема swap активно оспаривается и плохо понимается даже теми, кто проработал с Linux долгие годы. Многие воспринимают его как нечто бесполезное или очень вредное — мол, это пережиток прошлого, когда памяти было мало и диски являлись необходимым злом, предоставляющим столь нужное пространство для подкачки. И до сих пор, все последние годы, я достаточно часто наблюдаю споры вокруг этого утверждения: немало дискуссий провёл и я сам с коллегами, друзьями, собратьями по индустрии, помогая им понять, почему swap — это по-прежнему полезная концепция на современных компьютерах, имеющих гораздо больше физической памяти, чем в былые времена.

Широкое недопонимание существует и насчёт предназначения swap’а: многие люди видят в нём лишь «медленную дополнительную память» для использования в критических ситуациях, но не понимают его вклад в адекватное функционирование операционной системы в целом при нормальной нагрузке.

Многие из нас слышали такие распространённые фразы о памяти: «Linux использует слишком много памяти», «swap должен быть вдвое больше размера физической памяти» и т.п. Эти заблуждения легко развеять и их обсуждения стали более точными в последние годы, однако миф о «бесполезном» swap гораздо больше завязан на эвристику и таинство, которые не поддаются объяснению с простой аналогией, — для его обсуждения требуется более глубокое понимание управления памятью.

Эта публикация в основном нацелена на тех, кто администрирует Linux-системы и заинтересован в том, чтобы услышать аргументы против отсутствия/слишком малого объёма swap или работы с vm.swappiness , выставленным в 0.

Введение

Сложно говорить, почему наличие swap’а и перемещение в него страниц памяти — хорошо при нормальной работе, не разделяя понимание некоторых базовых нижележащих механизмов в управлении памятью в Linux, поэтому давайте убедимся, что говорим на одном языке.

Типы памяти

В Linux существует множество различных типов памяти, и у каждого из этих типов есть свои свойства. Понимание их особенностей — ключ к пониманию, почему swap важен.

Например, есть страницы («блоки» памяти, обычно по 4k), ответственные за хранение кода для каждого процесса, запущенного на компьютере. Есть также страницы, ответственные за кэширование данных и метаданных, относящихся к файлам, к которым обращаются эти программы для ускорения своих обращений в будущем. Они являются частью страничного кэша [page cache], и далее я буду на них ссылаться как на файловую [file] память.

Есть также страницы, которые отвечают за распределение памяти, сделанное внутри этого кода, например, когда с malloc выделяется новая память для записи в неё или когда используется флаг MAP_ANONYMOUS в mmap . Это «анонимные» страницы — они так называются, потому что ничем не «поддерживаются», — и я буду ссылаться на них как на анонимную [anon] память.

Есть и другие типы памяти: разделяемая память, slab-память, память стека ядра, буферы и иные, — но анонимная память и файловая память известны лучше других и просты для понимания, поэтому именно они будут использоваться в примерах, которые, впрочем, равносильно применимы и к другим типам.

Память с высвобождением и без

В размышлениях о конкретном типе памяти одним из главных вопросов становится возможность её высвобождения. «Высвобождение» [reclaim] означает, что система может, без потери данных, удалить страницы этого типа из физической памяти.

Для некоторых типов страниц это сделать весьма просто. Например, в случае чистой [clean], т.е. немодифицированной, памяти страничного кэша мы просто кэшируем для лучшей производительности то, что уже есть на диске, поэтому можем сбросить страницу без необходимости в каких-либо специальных операциях.

Для некоторых типов страниц это возможно, но непросто. Например, в случае грязной [dirty], т.е. модифицированной, памяти страничного кэша мы не можем просто сбросить страницу, потому что на диске ещё нет произведённых модификаций. Поэтому необходимо или отказаться от высвобождения [reclamation], или перенести наши изменения обратно на диск перед тем, как сбрасывать эту память.

Для некоторых типов страниц это невозможно. Например, упомянутые раньше анонимные страницы могут существовать только в памяти и никаком ином резервном хранилище, поэтому их необходимо хранить здесь (т.е. в самой памяти).

О природе swap’а

Если поискать объяснения, зачем нужен swap в Linux, неизбежно находятся многочисленные обсуждения его предназначения просто как расширения физической RAM для критических случаев. Вот, например, случайный пост, который я вытащил из первых результатов в Google по запросу «what is swap»:

«По своей сути swap — это экстренная память; запасное пространство для случаев, когда система на какое-то время нуждается в большем количестве физической памяти, чем доступно в RAM. Она считается «плохой» в том смысле, что медленная и неэффективная, и если системе постоянно требуется использовать swap, очевидно, ей не хватает памяти. [..] Если у вас достаточно RAM для удовлетворения всех потребностей и вы не ожидаете её превышения, вы можете прекрасно работать и без swap-пространства».

Поясню, что я вовсе не обвиняю автора этого комментария за содержимое его поста — это «общеизвестный факт», признаваемый многими системными администраторами Linux и являющийся, пожалуй, одним из наиболее вероятных ответов на вопрос о swap’е. К сожалению, это вдобавок и неправильное представление о предназначении и использовании swap’а, особенно на современных системах.

Как я уже писал выше, высвобождение анонимных страниц «невозможно», поскольку анонимные страницы по своей природе не имеют резервного хранилища, к которому можно обратиться при удалении данных из памяти, — таким образом, их высвобождение приведёт к полной утере данных из соответствующих страниц. Однако… что будет, если мы смогли бы создать такое хранилище для этих страниц?

Вот именно для этого и существует swap. Swap — область хранения для этих, кажущихся «невысвобождаемыми» [unreclaimable], страниц, позволяющая отправлять их на устройство хранения по запросу. Это означает, что их можно начинать считать такими же доступными для высвобождения, как и их более простые в этом смысле друзья (вроде чистых файловых страниц), что позволяет эффективнее использовать свободную физическую память.

Swap — это преимущественно механизм для равного высвобождения, а не для срочной «дополнительной памяти». Не swap замедляет работу вашего приложения — замедление происходит из-за начала совокупной конкуренции за память.

Итак, в каких же ситуациях это «равное высвобождение» будет оправданно выбирать высвобождение анонимных страниц? Вот абстрактные примеры некоторых не самых редких сценариев:

1. Во время инициализации долго выполняющаяся программа может выделить и использовать многие страницы. Эти же страницы могут использоваться в процессе завершения работы/очистки, но не требуются после «старта» (в понимании самого приложения) программы. Довольно распространённое явление для демонов, использующих крупные зависимости для инициализации.
2. Во время нормальной работы программы мы можем выделить память, которая затем редко используется. Для общей же производительности системы может оказаться более разумным использовать память для чего-то более важного, чем выполнять значительный отказ страницы с выгрузкой данных этой страницы на диск.

Что происходит с использованием swap и без него

Давайте посмотрим на типовые ситуации и к чему они приводят при наличии и отсутствии swap. О метриках «конкуренции за память» я рассказываю в докладе про cgroup v2.

Без конкуренции или с малой конкуренцией за память

С умеренной или высокой конкуренцией за память

При временных всплесках в потреблении памяти

Окей, я хочу системный swap, но как его настроить для конкретных приложений?

Вы же не думали, что в этой статье не будет упоминаний использования cgroup v2?

Очевидно, что общему эвристическому алгоритму тяжело не ошибаться всё время, поэтому важно иметь возможность дать необходимые инструкции ядру. Исторически единственной настройкой, которую можно было применить на системном уровне, являлась vm.swappiness . У неё две проблемы: vm.swappiness крайне сложно разумно применять, потому что она является лишь маленькой частью гораздо большей эвристической системы, и она применима лишь ко всей системе, но не к ограниченному набору процессов.

Можно также использовать mlock для фиксации страниц в памяти, но такой подход требует либо модификации кода программы и забав с LD_PRELOAD , либо ужасных танцев с отладчиком во время исполнения приложения. В языках, основанных на виртуальных машинах, всё это тоже не так-то хорошо работает, поскольку у вас обычно нет возможности контролировать распределение памяти и приходится делать mlockall , у которого нет точных настроек для тех страниц, что действительно важны.

В cgroup v2 есть определяемая на каждую cgroup настройка memory.low , которая позволяет сказать ядру отдавать предпочтение другим приложениям для высвобождения до достижения определённого порога используемой памяти. Нет гарантий, что ядро предотвратит swapping частей приложения, однако оно будет предпочитать высвобождение для других приложений в случае конкуренции за память. В нормальных условиях логика swap’а в ядре в целом достаточно хороша, так что разрешение оппортунистически выносить в swap страницы в общем случае повышает системную производительность. Пробуксовка swap’а в условиях сильной конкуренции за память не идеальна, но это скорее просто особенность ситуации нехватки памяти, чем проблема swapper’а. В ситуациях, когда давление на память начинает расти, вы обычно хотите быстрого завершения работы некритических процессов посредством их «самоубийства».

И в этом вопросе нельзя просто положиться на OOM killer. Потому что OOM killer вызывается только в самых критичных ситуациях, когда система уже оказалась в значительно нездоровом состоянии и, возможно, находилась в нём некоторое время. Необходимо самостоятельно и оппортунистически разрешить ситуацию ещё до того, как задумываться об OOM killer’е.

Тем не менее, выявить давление на память достаточно трудно с помощью традиционных счётчиков памяти в Linux. Нам доступно нечто, что каким-то образом относится к проблеме, однако скорее по касательной: потребление памяти, количество операций сканирования страниц и т.п. — и по одним этим метрикам очень трудно отличить эффективную конфигурацию памяти от той, что приводит к конкуренции за память. У нас есть группа в Facebook, возглавляемая Johannes’ом и работающая над новыми метриками, упрощающими демонстрацию давления на память, — это должно помочь нам в будущем. Больше информации об этом можно получить из моего доклада про cgroup v2, где я начинаю подробнее рассказывать об одной из метрик.

Тюнинг

Сколько же swap’а мне тогда нужно?

В общем случае минимальное количество swap-пространства, требуемого для оптимального управления памятью, зависит от количества анонимных страниц, которые привязаны к пространству памяти и к которым редко обращается приложение, а также от стоимости высвобождения этих анонимных страниц. Последнее — это в большей степени вопрос о том, какие страницы больше не должны удаляться, чтобы уступить место тем анонимным страницам, к которым редко обращаются.

Если у вас достаточно дискового пространства и свежее (4.0+) ядро, большее количество swap’а почти всегда лучше, чем меньшее. В более старых ядрах kswapd — один из процессов ядра, что отвечает за управление swap’ом, — исторически слишком усердствовал в перемещении памяти в swap, делая это тем активнее, чем больше swap’а было доступно. В последнее время поведение swapping’а при наличии большого swap-пространства значительно улучшили. Так что, если вы работаете с ядром 4.0+, большой swap не приведёт к чрезмерному swapping’у. В общем, на современных ядрах нормально иметь swap размером в несколько гигабайт, если такое пространство у вас есть.

Если же дисковое пространство ограничено, ответ в действительности зависит от компромисса, на который вы готовы пойти, и особенностей окружения. В идеале у вас должно быть достаточно swap’а, чтобы система оптимально функционировала при нормальной и пиковой (по памяти) нагрузке. Рекомендую настроить несколько тестовых систем с 2-3 Гб swap’а или более и понаблюдать, что происходит на протяжении недели или около того в разных условиях нагрузки (на память). Если на протяжении этой недели не случалось ситуаций резкой нехватки памяти, что означает недостаточную пользу такого теста, всё закончится занятостью swap’а небольшим количеством мегабайт. В таком случае, пожалуй, разумно будет иметь swap хотя бы такого размера с добавлением небольшого буфера для меняющихся нагрузок. Также atop в режиме логирования в столбце SWAPSZ может показать, страницы каких приложений попадают в swap. Если вы ещё не используете эту утилиту на своих серверах для логирования истории состояний сервера — возможно, в эксперимент стоит добавить её настройку на тестовых машинах (в режиме логирования). Заодно вы узнаете, когда приложение начало перемещать страницы в swap, что можно привязать к событиям из логов или другим важным показателям.

Ещё стоит задуматься о типе носителя для swap’а. Чтение из swap имеет тенденцию быть очень случайным, поскольку нельзя уверенно предсказать, у каких страниц будет отказ и когда. Для SSD это не имеет особого значения, а вот для вращающихся дисков случайный ввод/вывод может оказаться очень дорогим, поскольку требует физических движений. С другой стороны, отказы у файловых страниц обычно менее случайны, поскольку файлы, относящиеся к работе одного запущенного приложения, обычно менее фрагментированы. Это может означать, что для вращающегося диска вы можете захотеть сместиться в сторону высвобождения файловых страниц вместо swapping’а анонимных страниц, но, опять же, необходимо протестировать и оценить, как будет соблюдаться баланс для вашей рабочей нагрузки.

Для пользователей ноутбуков/десктопов, желающих использовать swap для перехода в спящий режим [hibernate], этот факт также необходимо учитывать, поскольку swap-файл тогда должен как минимум соответствовать размеру физической оперативной памяти.

Какой должна быть настройка swappiness?

Во-первых, важно понимать, что делает vm.swappiness . Это системная настройка (sysctl), смещающая высвобождение памяти в сторону анонимных страниц или файловых страниц. Для реализации используются два разных атрибута: file_prio (стремление высвобождать файловые страницы) и anon_prio (стремление высвобождать анонимные страницы). vm.swappiness обыгрывает эти атрибуты, становясь значением по умолчанию для anon_prio и вычитаясь из стандартного значения 200 в file_prio , то есть vm.swappiness = 50 равносильно значению anon_prio в 50 и file_prio в 150 (точные числа не играют роли — важен их вес относительно друг друга).

Это означает, что vm.swappiness — это по существу просто соотношение дорогой анонимной памяти, которую можно высвобождать и приводить к отказам, в сравнении с файловой памятью для вашего железа и рабочей нагрузки. Чем ниже значение, тем активнее вы сообщаете ядру, что редкие обращения к анонимным страницам дороги для перемещения в swap и обратно на вашем оборудовании. Чем выше это значение, тем вы больше говорите ядру, что стоимость swapping’а анонимных и файловых страниц одинакова на вашем оборудовании. Подсистема управления памятью будет по-прежнему пытаться решить, помещать в swap файловые или анонимные страницы, руководствуясь тем, насколько «горяча» память, однако swappiness склоняет подсчёт стоимости в пользу большего swapping’а или большего пропуска кэшей файловой системы, когда доступны оба способа. На SSD-дисках эти подходы практически равны по стоимости, поэтому установка vm.swappiness = 100 (т.е. полное равенство) может работать хорошо. На вращающихся дисках swapping может быть значительно дороже, т.к. в целом он требует случайного чтения, поэтому вы скорее всего захотите сместиться в сторону меньшего значения.

Реальность же в том, что большинство людей не имеют представления о том, чего требует их железо, поэтому настроить это значение, основываясь лишь на инстинкте, затруднительно — это вопрос, требующий личного тестирования с разными значениями. Можно также заняться анализом состава памяти вашей системы, основных приложений и их поведения в условиях небольшого высвобождения памяти.

Источник