【操作系统百科】交换

Swap 把匿名页（堆、栈、malloc 分配）搬到磁盘/压缩后端，腾出物理 RAM。“swap 是不是该关掉”是运维永恒争论。

一、先看图

flowchart LR
    ANON[匿名页 inactive] --> REC[回收器]
    REC -->|磁盘 swap| SDEV[swap 分区/文件<br/>/dev/sda2]
    REC -->|zram| ZRAM[zram 设备<br/>内存压缩]
    REC -->|zswap| ZSWAP[zswap 压缩池<br/>→ 满时泄到 swap]
    SDEV --> SWAPIN[swap in<br/>major fault]
    ZRAM --> SWAPIN
    ZSWAP --> SWAPIN
    SWAPIN --> ANON2[恢复匿名页]
    classDef mem fill:#388bfd22,stroke:#388bfd,color:#adbac7;
    classDef disk fill:#f0883e22,stroke:#f0883e,color:#adbac7;
    classDef comp fill:#3fb95022,stroke:#3fb950,color:#adbac7;
    class ANON,ANON2,REC mem
    class SDEV disk
    class ZRAM,ZSWAP comp

二、基础

2.1 swap area

swapon --show
# NAME       TYPE       SIZE USED PRIO
# /dev/sda2  partition  8G   1.2G  -2
# /swapfile  file       4G   0B    -3

优先级高的先用。分区 swap 性能略好于文件 swap（少一层 VFS）。

2.2 swap entry

页被换出后，PTE 里存的不是物理地址，而是 swap entry：

bit 0 = 0  (不 present)
bit 1..62 = swap type + offset

缺页时内核解析 entry → 找到 swap 位置 → 读回。

2.3 swap cache

刚 swap-in 的页暂留 swap cache——如果马上又要换出，省一次写。page 同时有物理地址和 swap entry。

三、swappiness 的真实含义

D-36 提过，再强调：

不是 “swap 概率” 或 “swap 使用量上限”
是回收扫描时 anon vs file 的权重

vm.swappiness = 60  →  扫 anon 和 file 的比例约 60:140
                = 0   →  几乎只扫 file（除非没 file 可回收）
                = 200 →  anon 权重极高（配合 zram 有意义）

误区

“swappiness=0 就不 swap” ❌（极端压力仍会）
“swappiness=100 疯狂 swap” ❌（只是等权重）

四、zram

zram 创建一个内存中的块设备，数据压缩存储：

modprobe zram
echo lz4 > /sys/block/zram0/comp_algorithm
echo 4G > /sys/block/zram0/disksize
mkswap /dev/zram0
swapon -p 100 /dev/zram0

压缩比通常 2-3x → 4GB zram ≈ 多出 8-12GB “虚拟 RAM”。

场景： - Android 标配（Chrome OS 也是） - 嵌入式、低内存 VPS - 桌面混合用（zram + 小 swapfile 做 fallback）

开销：压缩/解压 CPU；lz4 很快（几 μs/页），zstd 压得更紧但稍慢。

五、zswap

zswap 是 swap 的前端压缩池——页先压缩到内存池；池满才泄到真实 swap。

echo 1 > /sys/module/zswap/parameters/enabled
echo lz4 > /sys/module/zswap/parameters/compressor
echo 20 > /sys/module/zswap/parameters/max_pool_percent
echo zsmalloc > /sys/module/zswap/parameters/zpool

vs zram：

zram 是独立块设备；zswap 是 swap 路径上的一层
zswap 需要底层 swap area 做后端
内核 6.5+ zswap 支持 shrinker，可以淘汰冷压缩页

何时选哪个

只要压缩内存、不要磁盘 swap → zram
有磁盘 swap 但想减少 I/O → zswap
不能出 OOM → 两者 + swap 分区都开

六、swap readahead

swap in 时预读相邻的 swap 页面：

cluster readahead：在 swap slot 连续的邻居里预读
vma readahead：按 VMA 虚拟地址相邻预读

page_cluster sysctl 控制（默认 3 → 2^3 = 8 页）。SSD 上设小（0-1），HDD 上保持默认。

七、容器里的 swap

7.1 cgroup v2

memory.swap.max = 2G       # 容器 swap 上限
memory.swap.current         # 当前 swap 用量
memory.zswap.max = 1G      # zswap 配额（6.5+）

7.2 Kubernetes

kubelet 长期要求关 swap。1.28+ beta 支持 swap（NodeSwap feature gate）。

LimitedSwap：只允许 Burstable pod
UnlimitedSwap：所有 pod 可 swap

生产建议：先在非关键节点测试。

7.3 DB 容器

数据库几乎都建议关 swap 或 swappiness=1。swap 带来的延迟不可预测——宁可 OOM 快速重启。

八、swap 还值得开吗？

开的理由： - 给内存压力一个缓冲——OOM Killer 是最后手段 - 不常用的后台进程占页能被换出 - zram 几乎零成本

关的理由： - 数据库、实时系统不能容忍 swap 延迟 - 大内存服务器（512GB+）swap 意义不大 - Kubernetes 历史上不支持

折中方案： - zram + swappiness=100（Android/ChromeOS 风格） - 小 swap + vm.swappiness=1（服务器风格）

九、诊断

free -h                     # Swap 行
vmstat 1                    # si/so 列
sar -W 1                    # pswpin/s pswpout/s
cat /proc/meminfo | grep -i swap

# 哪个进程在 swap
awk '/VmSwap/{if($2>0)print FILENAME,$0}' /proc/*/status 2>/dev/null | sort -k3 -rn | head

# swap I/O 延迟
bpftrace -e 'kprobe:swap_readpage { @start[tid]=nsecs; }
  kretprobe:swap_readpage /@start[tid]/ { @us=hist((nsecs-@start[tid])/1000); delete(@start[tid]); }'

十、小结

swap 是 anon 页的”后备”——磁盘/zram/zswap 三条路
swappiness 是权重不是概率
zram 是内存压缩，Android/ChromeOS 标配
zswap 是 swap 前端缓冲，减少磁盘 I/O
容器 swap 正在解冻，但生产需审慎

参考文献

Documentation/admin-guide/mm/zswap.rst、Documentation/admin-guide/blockdev/zram.rst
Corbet, J. “Zswap: compressed swap caching.” LWN.net 2013
Seth Jennings, “zswap: compressed swap caching.” Kernel 3.11
mm/swap_state.c、mm/zswap.c、drivers/block/zram/
Kubernetes KEP-2400: Node Swap Support

工具

swapon --show、free -h
vmstat、sar -W
zramctl
/proc/meminfo、/sys/block/zram0/
bpftrace swap tracing

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