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