9. Linux 交换空间管理

计算机存储器的层次结构

计算机存储器速度越快，成本较高。 为了获得好的性能/价格比，计算机中各种存储器组成一个层
状的塔式结构，取长补短，协调工作。

• CPU 寄存器，是 CPU 内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数

  据和运算结果以及一些 CPU 运行需要的信息。

• CPU 高速缓存，也就是CPU Cache，是一种容量小、速度快的高缓冲存储器，由SRAM组

  成，直接制作在CPU芯片内，速度几乎与CPU一样快。在金字塔式存储体系中它位于自顶向

  下的第二层，仅次于CPU寄存器。其容量远小于内存，但速度却可以接近处理器的频率。

• 主存储器（Main memory），简称主存或内存，其作用是存放指令和数据，并能由中央处

  理器（CPU）直接随机存取。主存储器速度比CPU高速缓存慢，但存储容器却大的多。

  主存储器的速度一般用存取时间衡量，即每次与CPU间数据处理耗费的时间，以纳秒(ns)为

  单位。大多数SDRAM内存芯片的存取时间为5、6、7、8或10ns。

  主存储器的带宽计算公式：带宽＝频率*位宽／8。

  例如：DDR4 内存频率是3600 MHz，在64位系统（双通道位宽为128，以此类推），

  1B=8bit,

  • 单通道 DDR4-3600：3600MHz * 64bit / 8=28800MB/S

  • 双通道 DDR4-3600：3600MHz * 64bit * 2 / 8=57600MB/S

• 辅助存储器，速度慢的多，优点是容量大，可持久化存储。

计算机存储器的工作原理

1. CPU运行程序时，先从寄存器中读取数据。如果在寄存器中可以找到数据，则直接从寄存器
   中读取。如果在寄存器中找不到数据，则从CPU Cache中读取数据，并将数据缓存在CPU
   Cache中。
2. 如果在CPU cache中可以找到数据，则直接从CPU Cache中读取。如果在CPU cache中找不
   到数据，则从主存储器（内存）中读取数据，将数据缓存在主存储器中。
3. 如果在内存中可以找到数据，则直接从内存中读取。如果在内存中找不到数据，则从辅助存
   储器中读取数据，例如机械磁盘、光盘、U盘等，并将数据缓存在内存中。

物理内存

计算机系统将内存划分为固定大小的块，称为 page，标准 page 大小为4 KiB。进程并不直接对
物理内存寻址，每个进程具有虚拟地址空间virtual address space。当进程请求内存时，MMU
将进程获得的虚拟地址（VA，Virtual Address ）映射到物理地址（PA，Physical Address ）。

MMU是Memory Management Unit的缩写，即内存管理单元，它是CPU中用来管理虚拟存
储器、物理存储器的控制线路，负责将虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的内存
访问授权。

思考：为什么CPU不直接访问物理地址？

1. 虚拟内存的容量是物理内存和交换空间的总和，而虚拟地址负责映射到物理内存地址和交换
   空间地址。
2. 进程使用内存的过程中，希望内存是连续的。如果进程直接访问物理地址，则内核很难保证
   进程获得的物理地址空间是连续的，因为进程存在着运行和退出，就会出现内存碎片化。进
   程的虚拟地址在虚拟内存中是连续的，达到了内存连续的目的，而 MMU 会将进程的虚拟地
   址映射到物理地址。

Swap 空间

Swap，意思是“交换”、“实物交易”。Linux Swap（交换）空间是受Linux内核内存子系统控制的
磁盘区域。

• 功能1：当内存使用量超过定义的限制时，内核寻找已分配给进程但空闲的内存页，将该空

  闲的内存页写入到交换空间，并向其他进程重新分配RAM页面。

• 功能2：如果某个程序需要访问磁盘上的页面，则内核会找到另一个空闲的内存页， 将其写

  入到磁盘，然后从交换区重新调用所需的页面。

• 功能3：如果某个程序需要访问数据，访问的数据存放在交换空间，则该程序直接从交换空

  间读取数据，而不需要从磁盘原始位置读取，进而提高速度。

简单地说，Linux Swap 空间就是在内存不够的情况下，操作系统先把内存中暂时不用的数据，存
到硬盘的交换空间，腾出内存来让别的程序运行，和Windows的虚拟内存（pagefile.sys）的作
用是一样的。

交换空间只是临时的解决办法。虽然交换空间能够作为"虚拟"内存使用，但由于交换区位于磁盘
上，它的速度比物理内存慢的多，因此如果需要更快的速度的话，最好的办法仍然是加大物理内
存。

查看内存

# 默认单位是KiB，使用-m选项，以MiB为单位[root@centos7 ~]# freetotal usedfreeshared buff/cache available Mem:40261563304603528844121361668523485576Swap:406322804063228

输出说明：
Mem：

• total：物理内存空间大小。
• used：使用的内存 (total - free - buffers - cache)。
• free：未使用的内存空间大小(真正的空闲，未被任何程序占用)。
• shared：多个进程共享的内存空间大小。
• cached：从磁盘读取的数据占用的内存空间大小，待以后使用（数据没有被修改）。
• buffers：被更改但未写回磁盘的数据占用的内存空间大小。

Swap:

• total：交换空间大小。
• used：使用的交换空间大小。
• free：未使用交换空间大小。

Swap 空间大小

管理员应根据系统的内存工作负载来调整交换空间大小。 应用供应商有时会提供这方面的建议。
根据物理内存总量，下表提供了一些指导。

笔记本电脑和台式机的Hibernate功能会在关闭系统电源之前使用交换空间来保存RAM内容。重
新打开系统时， 内核将从交换空间恢复RAM内容，无需完全启动。 对于这些系统而言，交换空
间需要超过RAM量。

创建交换空间

# 使用parted创建所需大小的分区并将其文件系统类型设置为linux-swap[root@centos7 ~]# parted /dev/sdb mklabel gpt[root@centos7 ~]# parted /dev/sdb unit MiB mkpart swap01 linux-swap 12049[root@centos7 ~]# parted /dev/sdb unit MiB print# 格式化swap空间[root@centos7 ~]# mkswap /dev/sdb1Setting up swapspace version1, size=2097148KiB no label,UUID=2bf4e179-3648-4412-9495-3b278df4acd6

激活 swap 空间

# 激活swap空间[root@centos7 ~]# swapon /dev/sdb1# 查看swap设备列表[root@centos7 ~]# swapon -sFilename Type Size Used Priority /dev/dm-1 partition40632280-2 /dev/sdb1 partition20971480-3

默认情况下，多个交换空间具有相同的优先级时，系统会按顺序使用交换空间，即内核先使用第
一个已激活交换空间，直至其空间已满，然后开始使用第二个交换空间。在激活交换分区的时
候，可以为每个交换空间定义一个优先级，从而强制按该顺序使用交换空间。
swapon 命令使用-p选项指定优先级，优先级介于-1和32767之间，值越大优先级越高。
示例：

[root@centos7 ~]# swapon -p 4 /dev/sdb1

取消 swap 空间激活

[root@centos7 ~]# swapoff /dev/sdb1[root@centos7 ~]# swapon -sFilename Type Size Used Priority /dev/dm-1 partition40632280-2

持久化激活 swap 空间

修改/etc/fstab文件，添加如下类似记录：

UUID=2bf4e179-3648-4412-9495-3b278df4acd6 swap swappri=400

使用命令swapon -a激活/etc/fstab中所有交换设备。
使用命令swapoff -a取消/etc/fstab中所有交换设备激活。

[root@centos7 ~]# swapon -a[root@centos7 ~]# swapon -sFilename Type Size Used Priority /dev/dm-1 partition40632280-2 /dev/sdb1 partition20971480-3[root@centos7 ~]# swapoff -a[root@centos7 ~]# swapon -s~]# swapon -a[root@centos7 ~]# swapon -sFilename Type Size Used Priority /dev/dm-1 partition40632280-2 /dev/sdb1 partition20971480-3[root@centos7 ~]# swapoff -a[root@centos7 ~]# swapon -s