天天3分鐘操做系統修煉祕籍（12）：OOM和swap分區

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OOM和swap分區

進程的虛擬內存空間是映射到整個物理內存空間的，因此在進程自身看來它擁有了整個物理內存，它也能使用整個物理內存，只需在使用的時候請求操做系統幫忙分配更多空間便可。

可是，操做系統上並不是只運行了一個進程，若是一個進程無休止的申請物理內存空間，最終會致使物理內存耗盡或即將耗盡，使得操做系統沒法建立新進程，由於建立新進程須要爲它分配虛擬內存。

因此，操做系統必須得監視物理內存的使用狀況，在出現物理內存耗盡或即將耗盡的時候，若是進程繼續請求分配內存，將報錯out-of-memory（OOM）表示內存不足，而且在出現OOM的時候，操做系統將觸發OOM Killer程序從進程列表中篩選出一個內存密集型進程殺掉，從而釋放大片內存。但顯然，這是不怎麼友好的方式，很多服務器都專門或主要運行一個服務，若是這個服務進程正好申請了大量內存，它極可能會被OOM Killer殺掉，從而致使服務中止。

其實，早期內存通常都比較小，很容易就出現內存不足的問題，因此很早就提出了一個交換分區（swap partition）的概念。

swap分區是將磁盤看成內存使用，使得虛擬地址空間的範圍大小能夠超出物理內存的實際大小，在物理內存空間不足時，能夠將物理內存中的一些不重要數據拷貝到磁盤的swap分區中，從而讓出內存空間，而且在須要那些已被拷出數據時再從swap分區中拷回到內存，從而再也不那麼容易發生OOM錯誤。

可是swap分區畢竟是在磁盤上，而且要在內存和磁盤之間傳遞數據，因此要訪問swap分區上的數據時速度會很是慢。在目前大內存都已足夠廉價的狀況下，已經沒有多少必要使用swap分區。

雖然，如今swap分區對進程來講不多派上用場，但涉及到的一些技術和概念有必要簡單介紹下。

使用swap分區第二個要解決的問題是，如何讓虛擬地址空間的頁映射到磁盤swap分區的頁上。也就是，如何將虛擬頁翻譯成swap頁，而且在訪問時怎麼知道這不是內存的物理頁。

由於在物理內存的基礎上引入了swap分區，因此每一個虛擬頁中都有一個存在位來表示該頁是否存在於內存中，若是該位的值爲1，表示駐留在內存中，若是爲0則表示在swap分區而非內存。其中，全部駐留在內存中的頁也稱爲駐留集（Resident Set）。

當訪問一個虛擬頁的時候，若是發現不在內存中，這時候會產生缺頁異常（page fault），也稱爲頁未命中（page miss），因而陷入操做系統，啓動頁錯誤處理程序，從swap分區中找到對應的頁（顯然，這裏須要將虛擬內存頁翻譯成swap分區頁的地址）並拷貝到內存中。從swap分區拷入頁的過程稱爲換入頁（page in）。

這裏產生了一個新問題，既然已經使用了swap分區，說明此時物理內存已經處於緊張狀態，從swap中page in的頁如何放進內存中？其實，這裏也須要先進行page out，將該進程的一頁或多頁page out以便騰出內存。那麼哪些運氣很差的頁會被page out呢？這裏又出現了策略算法，稱爲頁替換策略算法，用來決定哪些頁應該被page out，好比使用FIFO算法換出那些先進入的頁，使用隨機算法隨機選擇換出的頁，使用LRU算法選擇最近最不經常使用的頁等等。

其實，除了page out換出頁騰出少許內存空間外，操做系統還設置了兩個關於空閒頁數量（顯然，這是物理頁）的水位線：高水位線（High Watermark，HW）和低水位線（Low Watermark，LW）。當操做系統發現空閒頁的數量少於低水位線的值時，就會自動啓動一個稱爲swap daemon（也稱爲page daemon）的後臺線程kswapd，該線程會掃描全部進程並從中選出一些候選進程，而後將這些進程的全部頁都拷貝到swap分區，直到空閒物理內存頁的數量達到高水位線的值。

提示：高水位線和低水位線

在計算機領域中，常會使用高水位線和低水位線來監視進程的一些可用性資源。當這類可用性資源的數量高於或臨近高水位線的值時，代表資源充足。當可用性資源的數量已經低於低水位線，說明資源緊張，應當採起一些措施恢復一些資源。

其中，換出進程全部頁到swap分區的過程稱爲swap out，而從swap分區拷入進程全部頁的過程（好比再次調度到該進程）稱爲swap in。將這兩個概念與page out和page in區分如下：

• page in和page out是拷入或拷出進程的一頁或某些頁
  
• swap in和swap out是拷入或拷出進程的全部頁

關於swap分區，能不用的話最好仍是不用，由於當真正用到swap分區的時候，內存已經進入了緊張狀態，以後的絕大多數進程基本上都會涉及到swap分區，不斷地出現page fault而進行換頁，這會致使進程抖動（thrashing），使得總體效率低下，並且這個狀態是持續的，直到釋放足夠的內存空間。這時候還不如採起其它辦法釋放內存空間，例如殺掉某些無關進程、重啓內存密集型服務、重啓機器等。