Linux Swap 机制解析:内存不足时系统如何使用磁盘

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在 Linux 内存模型中，Swap 不是一个“扩展内存”的工具，它应该是内核在内存压力（memory pressure）下的一种内存转换的机制吧。

核心问题是：当物理内存不足时，系统决定抛弃那个？

候选对象只有两类：

• 文件页（file-backed pages）

• Page Cache

• 可直接丢弃（因为可以从磁盘重读）

• 匿名页（anonymous pages）

• 堆 / 栈 / malloc

• 必须写入 Swap 才能回收

这就是 Swap 存在的根本原因：给“不可丢弃”的匿名页一个“暂存区”

二、内存回收路径：从分配失败到 Swap 写入

当进程申请内存（如 malloc）时，路径大致如下：

alloc_pages()  → get_free_pages()    → try_to_free_pages()        → shrink_node()            → shrink_lruvec()                → shrink_list()

核心发生在：

1. LRU 链表扫描（页淘汰核心机制）

Linux 使用多队列 LRU：

• active / inactive

• anon / file

即：

LRU_ACTIVE_ANONLRU_INACTIVE_ANONLRU_ACTIVE_FILELRU_INACTIVE_FILE

回收优先级：inactive → active（衰减后进入 inactive）

2. reclaim 决策分支

在 shrink_page_list() 中：

情况 A：文件页

• 干净页 → 直接释放

• 脏页 → writeback → 再释放

情况 B：匿名页

• 不能直接丢弃

• → 必须走 swap_out

三、Swap 写入机制：从匿名页到磁盘

1. swap out 关键路径

try_to_unmap()  → swap_out()    → add_to_swap_cache()    → swap_writepage()

关键：

• 页面被写入 swap device（分区或文件）

• PTE 被修改为 swap entry（非 present）

此时：该页“不在内存中”，但“逻辑仍存在”

2. swap cache 的作用

Swap cache 是一个中间层：

• 避免重复写入

• 支持共享 swap entry（fork 场景）

四、Swap in：缺页异常驱动的数据回流

当进程再次访问被 swap 掉的页：

触发：page fault  → do_swap_page()    → swap_readpage()

主要流程有下面4个步骤：

1. 从 swap 设备读取

2. 分配新页框

3. 更新页表（PTE present）

4. 恢复执行

ta的本质：swap 把“内存不足问题”转化为“IO 延迟问题”

五、系统为什么会有时候会出现“卡死”现象

主要是没有合理使用Swap。

当工作集 > 内存容量且频繁 swap in/out就会出现抖动

系统进入：IO-bound 状态（CPU 在等磁盘）

主要表现有如下几种情况：

• load 很高

• CPU 利用率低

• 系统极度卡顿

如果你是搞优化系统，应该很常见这几种情况

2. 关键影响因素:swappiness

vm.swappiness = 0 ~ 100

• 高 → 更倾向 swap anon

• 低 → 更倾向回收 page cache

控制“匿名页 vs 文件页”的牺牲优先级

（2）磁盘性能

• HDD → 灾难

• SSD → 可接受

• NVMe → 相对可控

（3）内存访问局部性

• 局部性强 → swap 影响小

• 随机访问 → 性能崩溃

六、OOM vs Swap：在硬件设备上如果你做系统优化会遇到这个情况

当 reclaim 直接回收失败的时候有没有swap现象是不同的：

1. 有 Swap

• 延迟 OOM

• 系统变慢但“活着”

2. 无 Swap

• 快速触发 OOM Killer

• 杀进程释放内存

区别对比：

七、那么什么时候应该开 Swap呢

推荐开启的情况：

• 通用服务器（避免突发 OOM）

• 开发机 / 笔记本

• 内存波动大的业务

谨慎使用：因为这情况一旦设备异常就会丢失书籍

• 低延迟系统（交易、实时系统）

• 高性能数据库（Redis / HFT）

实际设备中建议：

• 设置较低 swappiness（10~20）

• 使用 SSD / NVMe

• 监控指标：

• pgscan

• pgsteal

• pswpin / pswpout