性能监控-Swap Space

服务器性能监控包含许多内容,比如系统负载、CPU使用率、网络带宽使用情况、IO调用频率等等，Swap的使用情况也为我们对服务器性能监控提供补充。

Swap 介绍

用户进程内存空间中数据有两种:

• 从文件系统中读进来的数据 (主要有文件内容高速缓存, 程序代码和共享库)
• 程序使用的堆栈空间

而Linux 是一个分页请求系统, 用户进程使用的所有内存需要映射到物理内存:

• 应用程序的地址空间是虚拟空间, 是按被分成固定大小的页 (page) 来管理的
• 物理内存也是按固定大小的页框 (page frames) 来组织
• 虚拟页面 (page) 需要由操作系统映射到物理内存中的页框 (page frames)

为了更好的利用物理内存, Linux 会对在物理内存中的页面进行回收

• 如果存放的是程序代码或共享库, 可以直接回收 (以后需要的时候可以从文件里面直接读入)
• 如果缓存的是文件内容, 如果是脏页, 先写回磁盘后再回收; 如果不是脏页可以直接回收
• 而对于程序使用的堆栈空间, 由于没有对应的文件 (叫做 "匿名页", anonymous pages), 只能是备份到磁盘上一块专门的分区, 这个专门的分区就是 Swap Space.
• 一旦回收算法既不能从文件缓存回收内存, 又不能从正在使用的匿名页中回收内存, 而系统需要满足更多的内存请求, 这个时候只能用最后一招了: OOM kill.

从 swap space 的原理得出以下结论:

1. Swap Space 不会拖慢系统. 事实上, 不分配 swap space 并不代表就没有换进换出发生 (非匿名页还是可能会被换进换出).有了 Swap Space, 只是说在试图回收内存时, Linux 有了更多的选择
2. Swap Space 只是匿名页专用的. 在任何情况下, 程序代码, 共享库, 文件系统cache不会使用 Swap Space
3. 由上面的 1, 2 两点可以知道: "尽量给 Swap Space 分配很小的空间" 唯一的好处就是不浪费磁盘空间 (也就是说最小化 Swap Space 大小并不能提升系统性能)
4. 系统监控时, 要特别注意是否发生了 OOM 的情况, 一旦 OOM 发生, Linux 会自己挑选一个消耗内存较大, 又不 "重要" 的程序 kill 掉来回收内存 (但很多时候被 kill 掉的正好是某个应用程序)

监测 Swap Space的使用情况

使用free命令可以查看Swap的使用情况

# free
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:        1016288      128340      655356        1676      232592      648368
Swap:       2097148      607180     1489968

Swap行显示的Swap的使用情况

• total 显示 Swap Space总的容量为 2G
• used 显示 Swap Space 已经使用了592M
• free 显示 Swap Space 空闲1455M

重点是看看 used/total 的比值， 这里是 29%。特别需要注意的是, 这个比值较高时, 并不等于系统内存紧张了. 只有当在 Swap Space 上有大量的换入换出操作时才说明出现了内存紧张.

使用用 vmstat 或 sar -W 命令来监控换入换出操作的状况

# vmstat 
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 2  0 607176 650856  20164 214524    0    0     4    10    0    1  1  0 99  0  0

# sar -W
Linux 3.10.0-693.5.2.el7.x86_64 (VM_1_194_centos)       08/02/2019      _x86_64_        (1 CPU)

12:00:02 AM  pswpin/s pswpout/s
12:10:02 AM      0.00      0.00
12:20:02 AM      0.00      0.00
12:30:01 AM      0.00      0.00
12:40:01 AM      0.00      0.00
12:50:01 AM      0.00      0.00
01:00:01 AM      0.00      0.00
01:10:01 AM      0.00      0.00
01:20:02 AM      0.00      0.00
01:30:01 AM      0.00      0.00
01:40:01 AM      0.00      0.00
01:50:02 AM      0.00      0.00
02:00:01 AM      0.00      0.00
02:10:01 AM      0.00      0.00
02:20:01 AM      0.00      0.00
02:30:01 AM      0.00      0.00
02:40:01 AM      0.00      0.00
02:50:01 AM      0.00      0.00
03:00:02 AM      0.00      0.00
03:10:01 AM      0.00      0.00
03:20:01 AM      0.00      0.00

实验的机器可以看出, 虽然 Swap Space 被使用了一点, 但是没有在 Swap Space 上换入换出, 系统性能整体还是不错的.

总之, 系统性能可能出现以下几种情况:

• 极好: Swap Space 没有被使用. 物理内存的使用也很少.
• 好: Swap Space 用了一点, 但是在 swap space 上没有换进换出的操作
• 还行: Swap Space 用了一点. 有少量的在 Swap Space 上的 换进换出的操作. 不过系统的吞吐量还是不错 (CPU在 User 上的消耗还比较高, 也就是说明此时在 Swap Space 上的换入换出还没有造成系统瓶颈)
• 有问题: 在 Swap Space 上有大量的换入换出操作, 同时 CPU 在 Sys 和 Wait 上的消耗很高 (这种情况就是说明内存不够用了, 需要查看是否有程序发生了内存泄漏)
• 有问题: 系统运行良好, 但是启动新程序会由于内存不足而失败 (这种情况是 Swap Space 分配得太小了)

优化 Swap space 性能

vm.swappiness (缺省值是60). 设置成0, Linux 会尽可能的避免把内存交换出去 (可以让系统有好的响应时间). 相反, 如果设置成100, Linux 会尽量的使用 swap space.

vm.overcommit_memory (缺省值是0):

• 0: 允许 overcommit (当收到申请内存的请求时, Linux 用一套heuristic方法来决定是否要 overcommit), 但是就像前面提到的, overcommit 之后, 当真正需要用到这些内存时, 如果回收算法又不能回收到任何物理内存, 只好OOM kill 掉一个进程
• 1: 总是允许 overcommit (Redis 就建议这样设置)
• 2: 不允许进行 overcommit, 一旦申请的空间超出总空间 (总空间 = 物理空间 + swap space size x overcommit_ratio, overcommit_ratio 缺省值是 50%), 就报错

选择自己应用合理的值将配置添加到 /etc/sysctl.conf, sysctl -p 或者 重启生效。