Linux 管理員手冊(4)

本章說明Linux的記憶體管理特徵，即虛擬記憶體和磁碟緩衝。描述系統管理員應該考慮的東西、工作和目的。

什麼是虛擬記憶體?

　　Linux支援虛擬記憶體, 就是使用磁碟作為RAM的擴充，使可用記憶體相應地有效擴大。核心把當前不用的記憶體塊存到硬碟，騰出記憶體給其他目的。當原來的內容又要使用時，再讀回記憶體。這對使用者全透明：運行於Linux的程式只看到大量的可用記憶體而不甘心哪部分在磁碟上。當然，讀寫硬碟比真的記憶體慢(慢千倍)，所以程式運行較慢。用做虛擬記憶體的這部分硬碟叫 對換空間。

　　Linux可以使用檔案系統中的普通檔案或單獨的分區作為對換空間。對換分區更快，但對換檔案更易於改變大小(無須對硬碟重分區)。如果知道要多少對換空間，應該用對換分區；如果不能確認，可以先用對換檔案，用一段時間後再根據所需空間建立對換分區。

　　Linux允許同時使用多個對換分區和/或對換檔案。即如果偶爾需要更多的對換空間，可以隨時建立一個額外的對換檔案。

產生對換空間

　　對換檔案是普通檔案，對核心沒有什麼特別的。唯一不同是它沒有孔，用 mkswap 準備。必須在本地碟上，不能在通過NFS mount的檔案系統中。

　　關於孔，是重要的。對換檔案保留了磁碟空間，使核心能快速對換出一頁，而不必經過如檔案的定位磁碟扇區的全部事情。核心只用分配給這個檔案的所有扇區。由於檔案中的孔意味著沒有為檔案中這個位置分配磁碟扇區，這對核心使用不利。

　　產生沒有孔的對換檔案的一個好辦法是通過如下命令：

$ dd if=/dev/zero of=/extra-swap bs=1024 count=1024
1024+0 records in
1024+0 records out
$
　　/extra-swap 是對換檔案名稱，大小由count=給出. 大小最好是4的倍數，因為核心寫出的記憶體頁是4KB。如果不是4的倍數，最後那幾KB將不可用。

　　對換分區也沒什麼特別。就象產生其他分區一樣產生；唯一的不同是它作為原始分區使用，即沒有任何檔案系統，最好將對換分區標記為類型82(Linux swap)，雖然這對核心沒有影響，但這使分區列表更清晰。

　　產生對換檔案或對換分區後，需要寫個標記起用它，這包括核心要用的一些管理資訊。命令是 mkswap , 用法如下：

$ mkswap /extra-swap 1024
Setting up swapspace, size = 1044480 bytes
$

　　注意對換空間現在還沒用，它存在，但核心還沒用它提供虛擬記憶體。

　　請一定小心使用mkswap , 因為它不檢查檔案或分區是否被其他東西使用。 你可能用mkswap 很容易地覆蓋了重要檔案和分區! 幸好，你只需在你安裝系統時使用mkswap 。

　　Linux記憶體管理限制了每個對換空間約為127MB(由於技術原因，實際限制是127.6875MB)。 可以同時使用最多16個對換空間，總計差不多2GB。

使用對換空間

　　用swapon 將一個初始化的對換空間可用。此命令告訴核心對換空間可以用了，對換空間的路徑作為參數，啟動一個臨時對換檔案可以用如下命令：

$ swapon /extra-swap
$

對換空間如果列入/etc/fstab ，就可自動使用。

/dev/hda8 none swap sw 0 0
/swapfile none swap sw 0 0

　　啟動手稿運行命令swapon -a, 它將啟動/etc/fstab 中所列的所有對換空間。因此swapon 命令只有在啟動額外的對換空間時才使用。
可以用free 監視對換空間的使用，它將給出所有使用的對換空間。

$ free
total used free shared buffers
Mem: 15152 14896 256 12404 2528
-/+ buffers: 12368 2784
Swap: 32452 6684 25768
$

　　前一行輸出(Mem:)顯示實體記憶體。 Total列不顯示核心使用的實體記憶體(通常大約1MB)。Used列顯示被使用的記憶體總額(第二行不計緩衝)。 Free列顯示全部沒使用的記憶體。Shared列顯示多個進程共用的記憶體總額。Buffers列顯示磁碟緩衝的當前大小。
後一行(Swap:)對對換空間，顯示的資訊類似上面。如果這行為全0，那麼沒使用對換空間。

　　通過top ，或使用proc檔案系統的/proc/meminfo 檔案可以得到相同的資訊。得到某個對換空間的使用資訊目前還比較困難。

　　可用swapoff 取消對換空間，一般不必這樣，除非是臨時對換空間。對換空間中的要用的頁被換入(swap->RAM)，如果沒有足夠的實體記憶體，就被換出(RAM->swap，到其他對換空間)。如果沒有足夠的虛擬記憶體放進所有頁面，Linux將開始震蕩(thrash); 很長時間以後應該能恢複，但此時系統不可用。取消一個對換空間前，應該檢查(例如用free )是否有足夠的實體記憶體。

　　用swapon -a自動使用的所有對換空間可以用swapoff -a取消。它查看檔案/etc/fstab 得知要取消什麼。任何手工起用的對換空間將依然使用著。

　　即使有許多閒置實體記憶體，有時許多對換空間也被使用著。這種情況是由於在某個時間需要對換，但後來一個佔用大量實體記憶體的大進程終止並釋放了記憶體。直到被換出的資料要被使用之前它們並不自動換入。不必顧慮這種情況，但知道為什麼會發生這種情況會更安心。

與其他動作系統共用對換空間

　　許多作業系統內建虛擬記憶體。由於他們只需在運行時使用，即，不會同時，那麼除了當前啟動並執行，其他所有對換空間都浪費著。如果他們共用同一個對換空間將更有效。這是可能的但需要一些Hacking工作。 Tips-HOWTO包含了一些如何完成這項任務的忠告。

分配對換空間

　　也許有人告訴你，應該分配2倍於實體記憶體的對換空間，但這是個虛假的規律。下面說明如何正確：

　　估計你的全部記憶體需求。這是你可能需要的最大量，即你要同時啟動並執行所有程式所需的記憶體要求的總和。你可以同時運行你可能同時啟動並執行所有程式試試。

　　例如，如果你想運行X，你得分配8MB給他，gcc要求數MB(有些檔案偶爾可能需要很大量，數十MB，但一般4MB差不多)，等等。核心自己使用1MB，Shell和一些小工具可能需要幾百KB(或說，總共1MB)。不必太精確，粗數量級估計就行，但可以較悲觀地考慮。

　　記得如果將有多人同時使用系統，他們將都消耗記憶體。如果2個人同時運行相同的程式，總記憶體消耗一般並非加倍，因為字碼頁和共用庫是單一的。

　　free 和ps 命令對估計記憶體需求很有用。

　　第一步的估計加上一些安全量。因為對程式大小的估計很可能是錯誤的，因為你可能忘了一些要啟動並執行程式，並確定你有一些額外空間。應該有數MB。(分配太多對換空間比分配太少好，但不必過分，因為不使用的對換空間是浪費；見後文：關於增加對換空間。) Also,since it is nicer to deal with even numbers, you can round the value up to the next full megabyte.

　　基於以上計算，你知道了你總共需要多少記憶體。減去你的實際實體記憶體，就是對換空間。 (有些版本的UNIX中，你還需要分配實體記憶體的映象空間，所以第二布中計算的你所需的空間就不能減)

　　如果你計算的對換空間比你的實際實體記憶體大得多(大於好幾倍以上)，那麼你也許需要更多的實體記憶體，否則系統效能將太低。

　　即使計算顯示你無須對換空間，最好還是至少有一些。Linux有些侵略性地使用對換空間，這樣保持一定的空閑實體記憶體。即使記憶體還不為什麼程式所需，Linux也會換出一些不用的記憶體頁，這樣在需要的時候就可以避免因對換的等待--即對換可以在硬碟閒置時候提早完成。

　　對換空間可以分在幾個硬碟中，這有時可以提高效能，依賴於這些盤的相對速度和存模數式。你可以嘗試幾中方案，但要知道正確地嘗試是很困難的。不要相信某種方案比其他方案好的斷定，因為它不會總是對的。
快取

　　與存取(真正的)記憶體相比，從磁碟讀是很慢的 另外，在相對短的一端時間裡，多次讀硬碟相同的部分是很常見的。例如，你可能先讀了一封電子郵件，然後回複時又將它讀入編輯器，然後複製它到一個檔案夾時又用郵件程式讀它。或者，考慮命令ls 可能被系統上的很多使用者多麼頻繁地使用。只從磁碟讀一次資訊，並保持在硬碟中，知道不再需要，除了第一次讀，其他都會較快。這就叫磁碟緩衝disk buffering，用於此目的的記憶體叫buffer cache。

　　不幸的是，由於記憶體是有限且缺乏的資源，buffer cache一般不會足夠大(大到能夠裝下所有人可能用到的資料)。當cache滿時，最長時間不用的資料將被丟棄，記憶體釋放給最新的資料。

　　磁碟緩衝也用於寫操作。要寫的資料經常馬上又被讀(例如一個原始碼檔案儲存到檔案中後又被編譯器讀出)，所以將要寫的資料放在緩衝裡是個好主意。另外，只將資料放如cache而不馬上寫到磁碟，寫操作的程式執行速度更快。寫操作然後可以在後台完成，而不降低其他程式的速度。

　　許多作業系統有buffer caches (即使名稱不同),但並非都根據上述原理。有些是透寫write-through: 資料馬上寫到磁碟(當然也同時寫到cache) 不馬上寫的cache叫回寫write-back。回寫比透寫更有效，但也更容易出錯：如果系統崩潰，或電源突然掉電，或磁碟片在cache回寫前被取出，那麼cache中改變的資料將丟失。這可能意味著檔案系統is not in full working order, 可能由於未寫資料包含了系統記錄資訊的重要的變化。

　　因此，千萬不要不經過正常的關閉過程直接關閉電源(見6章), 或沒有unmount就取出磁碟片(如果是mount的)，或什麼程式還在用著磁碟片，或磁碟片燈還在閃。 sync 命令重新整理緩衝，即強制將所有未寫資料寫回磁碟，如果要確保所有資料安全回寫，可以用它。傳統的UNIX系統中，有個update 程式在後台運行，它每30秒運行一次 sync ，所以通常無須使用sync 。 Linux有一個另外的守侯程式bdflush ，它克服了sync 有時因磁碟I/O負荷太重(因為頻繁的操作)而導致有時系統突然呆住的問題。

　　Linux下，bdflush 由update 啟動。一般無須考慮它，但如果bdflush 偶爾因為什麼原因死了，核心會給出警告，此時應該手工啟動它(/sbin/update )。

　　cache並不真正緩衝檔案，而是塊，就是磁碟I/O的最小單元(Linux下，一般是1kB)。這樣，所有的目錄、超級塊、其他檔案系統記錄資料和無檔案系統磁碟都可以被緩衝。

　　cache的效果決定於其大小。太小的cache幾乎無用；它只能cache很少的資料，而可能在被重用前就被清除了。大小有賴於有多少資料被讀寫，相同的資料的存取頻度。唯一的方法是實驗。

　　如果cache是固定大小，那麼不應該太大，否則，會由於空閑記憶體空間太小而使用swap(也很慢)。為了最有效地使用真實記憶體，Linux自動使用所有空閑記憶體作為buffer cache，當程式需要更多記憶體時，自動減少cache。

　　Linux下，對cache使用無須做任何工作，它完全是自動的。除了要正常關閉系統和取出磁碟片，無須關心cache。