每天3分钟操作系统修炼秘籍（12）：OOM和swap分区

Posted 2020-11-30 f-ck-need-u

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OOM和swap分区

进程的虚拟内存空间是映射到整个物理内存空间的，所以在进程自身看来它拥有了整个物理内存，它也能使用整个物理内存，只需在使用的时候请求操作系统帮忙分配更多空间即可。

但是，操作系统上并非只运行了一个进程，如果一个进程无休止的申请物理内存空间，最终会导致物理内存耗尽或即将耗尽，使得操作系统无法创建新进程，因为创建新进程需要为它分配虚拟内存。

所以，操作系统必须得监视物理内存的使用情况，在出现物理内存耗尽或即将耗尽的时候，如果进程继续请求分配内存，将报错out-of-memory（OOM）表示内存不足，并且在出现OOM的时候，操作系统将触发OOM Killer程序从进程列表中筛选出一个内存密集型进程杀掉，从而释放大片内存。但显然，这是不怎么友好的方式，不少服务器都专门或主要运行一个服务，如果这个服务进程正好申请了大量内存，它很可能会被OOM Killer杀掉，从而导致服务停止。

其实，早期内存一般都比较小，很容易就出现内存不足的问题，所以很早就提出了一个交换分区（swap partition）的概念。

swap分区是将磁盘当作内存使用，使得虚拟地址空间的范围大小可以超出物理内存的实际大小，在物理内存空间不足时，可以将物理内存中的一些不重要数据拷贝到磁盘的swap分区中，从而让出内存空间，并且在需要那些已被拷出数据时再从swap分区中拷回到内存，从而不再那么容易发生OOM错误。

但是swap分区毕竟是在磁盘上，并且要在内存和磁盘之间传递数据，所以要访问swap分区上的数据时速度会非常慢。在目前大内存都已足够廉价的情况下，已经没有多少必要使用swap分区。

虽然，现在swap分区对进程来说很少派上用场，但涉及到的一些技术和概念有必要简单介绍下。

使用swap分区第二个要解决的问题是，如何让虚拟地址空间的页映射到磁盘swap分区的页上。也就是，如何将虚拟页翻译成swap页，并且在访问时怎么知道这不是内存的物理页。

因为在物理内存的基础上引入了swap分区，所以每个虚拟页中都有一个存在位来表示该页是否存在于内存中，如果该位的值为1，表示驻留在内存中，如果为0则表示在swap分区而非内存。其中，所有驻留在内存中的页也称为驻留集（Resident Set）。

当访问一个虚拟页的时候，如果发现不在内存中，这时候会产生缺页异常（page fault），也称为页未命中（page miss），于是陷入操作系统，启动页错误处理程序，从swap分区中找到对应的页（显然，这里需要将虚拟内存页翻译成swap分区页的地址）并拷贝到内存中。从swap分区拷入页的过程称为换入页（page in）。

这里产生了一个新问题，既然已经使用了swap分区，说明此时物理内存已经处于紧张状态，从swap中page in的页如何放进内存中？其实，这里也需要先进行page out，将该进程的一页或多页page out以便腾出内存。那么哪些运气不好的页会被page out呢？这里又出现了策略算法，称为页替换策略算法，用来决定哪些页应该被page out，比如使用FIFO算法换出那些先进入的页，使用随机算法随机选择换出的页，使用LRU算法选择最近最不常用的页等等。

其实，除了page out换出页腾出少量内存空间外，操作系统还设置了两个关于空闲页数量（显然，这是物理页）的水位线：高水位线（High Watermark，HW）和低水位线（Low Watermark，LW）。当操作系统发现空闲页的数量少于低水位线的值时，就会自动启动一个称为swap daemon（也称为page daemon）的后台线程kswapd，该线程会扫描所有进程并从中选出一些候选进程，然后将这些进程的所有页都拷贝到swap分区，直到空闲物理内存页的数量达到高水位线的值。

提示：高水位线和低水位线

在计算机领域中，常会使用高水位线和低水位线来监视进程的一些可用性资源。当这类可用性资源的数量高于或临近高水位线的值时，表明资源充足。当可用性资源的数量已经低于低水位线，说明资源紧张，应当采取一些措施恢复一些资源。

其中，换出进程所有页到swap分区的过程称为swap out，而从swap分区拷入进程所有页的过程（比如再次调度到该进程）称为swap in。将这两个概念与page out和page in区分以下：

• page in和page out是拷入或拷出进程的一页或某些页
  
• swap in和swap out是拷入或拷出进程的所有页

关于swap分区，能不用的话最好还是不用，因为当真正用到swap分区的时候，内存已经进入了紧张状态，之后的绝大多数进程基本上都会涉及到swap分区，不断地出现page fault而进行换页，这会导致进程抖动（thrashing），使得整体效率低下，而且这个状态是持续的，直到释放足够的内存空间。这时候还不如采取其它办法释放内存空间，例如杀掉某些无关进程、重启内存密集型服务、重启机器等。