SWAP的罪与罚

说个案例:一台Apache服务器,由于其MaxClients参数设置过大,并且恰好又碰到访问量激增,结果内存被耗光,从而引发SWAP,进而负载攀升,最终导致宕机。

正所谓:SWAP,性能之大事,死生之地,存亡之道,不可不察也。

哪些工具可以监测SWAP

最容易想到的就是free命令了,它指明了当前SWAP的使用情况:

shell> free -m
             total       used       free
Swap:        34175      11374      22801

另一个常用的是sar命令,它能列出系统在各个时间的SWAP使用情况:

shell> sar -r
kbswpfree kbswpused  %swpused  kbswpcad
 23345644  11650572     33.29   4656908
 23346452  11649764     33.29   4656216
 23346556  11649660     33.29   4650308
 23346932  11649284     33.29   4649888
 23346992  11649224     33.29   4648848

不过free命令和sar命令显示的都不是实时数据,如果需要,可以使用vmstat命令:

shell> vmstat 1
-----------memory------------- ---swap--
  swpd   free   buff   cache     si   so
11647532 123664 305064 7193168    0    0
11647532 123672 305064 7193172    0    0
11647532 125728 305064 7193468    0    0
11647532 125376 305064 7193476    0    0
11647532 124508 305068 7193624    0    0

每秒刷新一次结果,在SWAP一栏里列出了相关数据,至于si和so的解释,大致如下:

  • si: Amount of memory swapped in from disk (/s).
  • so: Amount of memory swapped to disk (/s).

如果它们一直是零当然最好不过了,偶尔不为零也没啥,糟糕的是一直不为零。

前面介绍的方法,看到的都是SWAP的整体情况,可是如果我想查看到底是哪些进程使用了SWAP,应该如何操作呢?这个问题有点棘手,我们来研究一下:

好消息是top命令能提供这个信息,不过缺省并没有显示,我们需要激活一下:

  1. 打开top;
  2. 按「f」进入选择字段的界面;
  3. 按「p」选择「SWAP」字段;
  4. 按回车确认。

坏消息是top命令提供的SWAP信息只是一个理论值,或者更直白一点儿来说它根本就是不可信的(在top里SWAP的计算公式是:SWAP=VIRT-RES)。

BTW:相比之下,top里的「nFLT」字段更有价值,它表示PageFault的次数。

那到底我们能不能获取到进程的SWAP情况呢?别着急,看代码:

#!/bin/bash

cd /proc

for pid in [0-9]*; do
    command=$(cat /proc/$pid/cmdline)

    swap=$(
        awk '
            BEGIN  { total = 0 }
            /Swap/ { total += $2 }
            END    { print total }
        ' /proc/$pid/smaps
    )

    if (( $swap > 0 )); then
        if [[ "${head}" != "yes" ]]; then
            echo -e "PID\tSWAP\tCOMMAND"
            head="yes"
        fi

        echo -e "${pid}\t${swap}\t${command}"
    fi
done

说明:请使用root权限来运行此脚本。

哪些因素可能影响SWAP

内存不足无疑会SWAP,但有些时候,即便看上去内存很充裕,还可能会SWAP,这种现象被称为SWAP Insanity,罪魁祸首主要有以下几点:

Swappiness的迷失

实际上,当可用内存不足时,系统有两个选择:一个是通过SWAP来释放内存,另一个是删除Cache中的Page来释放内存。一个很常见的例子是:当拷贝大文件的时候,时常会发生SWAP现象。这是因为拷贝文件的时候,系统会把文件内容在Cache中按Page来缓存,此时一旦可用内存不足,系统便会倾向于通过SWAP来释放内存。

内核中的swappiness参数可以用来控制这种行为,缺省情况下,swappiness的值是60:

shell> sysctl -a | grep swappiness
vm.swappiness = 60

它的含义是:如果系统需要内存,有百分之六十的概率执行SWAP。知道了这一点,我们很自然的会想到用下面的方法来降低执行SWAP的概率:

shell> echo "vm.swappiness = 1" >> /etc/sysctl.conf
shell> sysctl -p

这样做的确可以降低执行SWAP的概率,但并不意味着永远不会执行SWAP。据网友报道某些情况下,直接改为0有可能出现灵异问题,所以建议改为1。

NUMA的诅咒

NUMAMySQL社区有很多讨论,这里不多说了,直击NUMA和SWAP的恩怨纠葛。

大概了解一下NUMA最核心的numactl命令:

shell> numactl --hardware
available: 2 nodes (0-1)
node 0 size: 16131 MB
node 0 free: 100 MB
node 1 size: 16160 MB
node 1 free: 10 MB
node distances:
node   0   1
  0:  10  20
  1:  20  10

可以看到系统有两个节点(其实就是两个物理CPU),它们各自分了16G内存,其中零号节点还剩100M内存,一号节点还剩10M内存。设想启动了一个需要11M内存的进程,系统把它分给了一号节点来执行,此时虽然系统总体的可用内存大于该进程需要的内存,但因为一号节点本身剩余的可用内存不足,所以仍然可能会触发SWAP行为。

需要说明的一点事,numactl命令中看到的各节点剩余内存中时不包括Cache内存的,如果需要知道,我们可以利用drop_caches参数先释放它:

shell> sysctl vm.drop_caches=1

注:这步操作可能会引起系统负载的震荡。

另:如何确定一个进程的节点及内存分配情况?网络上有现成的脚本

如果要规避NUMA对SWAP的影响,最简单的方法就是在启动进程的时候禁用它:

shell> numactl --interleave=all ...

此外,内核参数zone_reclaim_mode通常也很重要,当某个节点可用内存不足时,如果为0的话,那么系统会倾向于从远程节点分配内存;如果为1的话,那么系统会倾向于从本地节点回收Cache内存。多数时候,Cache对性能很重要,所以0是一个更好的选择。

shell> echo "vm.zone_reclaim_mode = 0" >> /etc/sysctl.conf
shell> sysctl -p

另:网络上有一些关于MySQL和SWAP的讨论,对于理解SWAP有一定意义,推荐:

补:Memcached在启动的时候如果带上了k选项,就能避免使用SWAP,但要慎用。

早些年,YouTube曾经被SWAP问题困扰过,他们当时的解决方法很极端:删除SWAP!不得不说这真是艺高人胆大,可惜对芸芸众生的我们而言,这实在是太危险了,因为如此一来,一旦内存耗尽,由于没有SWAP的缓冲,系统会立即开始OOM,结果可能会让问题变得更加复杂,所以大家还是安分守己做个老实人吧。

SWAP的罪与罚》上有16条评论

  1. Google内部绝大部分的服务都是直接取消swap的,因为相对于swap导致系统变慢而言,不如直接OOM死掉反而是很方便的方法——反正系统本身具有鲁棒性,本来就设计有容错机制的。

  2. 我的程序可能也遇到了这个问题。。线上导出大文件后,cache被吃掉很多内存,可能导致java那边的一些内存就被挤到swap了(但我在sar的历史日志里,没有看到swap明显升高,所以还不确定。。)

    另外,如果用mlockall事先锁住一块儿内存给java使用是否可行呢?盼赐教。

    • 第一个问题信息不足无法回答;第二个问题答案是肯定的,事实上,memcached就是用mlockall方法来禁止swap的(k选项)。

    • 多谢!

      我想进一步问一下。我们线上用的是一台5g的虚拟机,ulimit -l结果是32。请问这个能不能设置成unlimited呢?
      比较担心会对同宿主的其他虚拟机造成影响。

    • 理论上是可以设置max locked memory到unlimited的,不过这样虽然可以避免SWAP,但是还需要注意OOM的影响,你可以结合自己的程序模拟一些极端情况看看。只有测试才能给出正确的答案。

  3. Pingback引用通告: 【转载】SWAP的罪与罚 | 一意孤星的世界

  4. 这个东西玄乎的好像根本不可控制一样,这种资源问题本来就应该让系统来支配才对!自己还要去管理,好麻烦啊

  5. 其实 dstat 也是很不错的工具;-) 从系统管理的角度来讲(对 mysql 理解不够深入),只要 vmstat 输出中 si/so 不频繁即说明物理内存还够用。free 输出中 free + cached + buffer = + buffers/cache 的值,内核参数 drop_caches 只能释放 page cache 通常内核会管理,不用人肉 drop ...

    经验告诉我在最好别设置 swappiness 为 0 否则系统可能出现诡异的性能问题,因为存在无法判断的突发内存消耗,导致 page out 系统性能急速恶化。

  6. “另一个常用的是sar命令,它能列出系统在各个时间的SWAP使用情况:shell> sar -r”
    这里应该是 sar -S 吧。

  7. 今年新到一台HP服务器
    安装了windows 08R2 数据库 MS SQL 08R2
    双cpu
    发现满负载的时候,任务管理器显示49% 其中的10核20线程全部到顶了;但是另外一个CPU动都不动一下~
    这个是不是得取消掉默认的numa,改为普通的smp

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