Swap 说白了就是把一块磁盘空间或者一个本地文件（以磁盘为例），当成内存来使用。它包括换出和换入两个过程：
1）换出，把进程暂时不用的内存数据存储到磁盘中，并释放这些数据占用的内存。
2）换入，在进程再次访问这些内存的时候，把它们从磁盘读到内存中来

现在的内存便宜多，但 SWAP 依旧有用：
1）即使内存不足时，有些应用程序也并不想被 OOM 杀死，而是希望能缓一段时间，等待人工介入，或者等系统自动释放其他进程的内存，再分配给它
2）笔记本电脑的休眠和快速开机的功能，也基于 Swap 。休眠时，把系统的内存存入磁盘，这样等到再次开机时，只要从磁盘中加载内存就可以

在操作系统中，何时发生内存回收

直接内存回收

有新的大块内存分配请求，但是剩余内存不足。此时操作系统就需要回收一部分内存（比如缓存），进而尽可能地满足新内存请求

定期回收内存（kswapd0）

专门的内核线程，kswapd0，用来定期回收内存。

为了衡量内存的使用情况，kswapd0 定义三个内存阈值（watermark，也称为水位），分别是：页最小阈值（pages_min）、页低阈值（pages_low）、页高阈值（pages_high）

pages_free，表示剩余内存：
1）pages_free < pages_min，剩余内存小于页最小阈值，说明进程可用内存基本耗尽，只有内核才可以分配内存
2）pages_min < pages_free < pages_low，内存压力比较大，剩余内存不多，此时 kswapd0 会执行内存回收，直到 pages_free > pages_high 为止
3）pages_low < pages_free < pages_high，内存有一定压力，但还可以满足新内存请求
4）pages_high < pages_free，剩余内存比较多，没有内存压力

参数 pages_min 通过 /proc/sys/vm/min_free_kbytes 设置，pages_low = pages_min*5/4，pages_high = pages_min*3/2

NUMA 与 Swap

有时候可能会发现 Swap 升高，但是系统内存足够。这种情况可能是因为 处理器的 NUMA （Non-Uniform Memory Access） 架构导致的问题。

NUMA – Non-Uniform Memory Access

在 NUMA 架构下，多个处理器（逻辑处理器）被划分到不同 Node 上，且每个 Node 都拥有自己的本地内存空间。

同个 Node 内部的内存空间，实际上又可以进一步分为不同的内存域（Zone），比如直接内存访问区（DMA）、普通内存区（NORMAL）、伪内存区（MOVABLE）等，如图所示：

在 NUMA 下，每个 Node 都有自己的本地内存空间，那么在分析内存的使用时，我们也应该针对每个 Node 单独分析。

查看处理器在节点的分布情况

# numactl --hardware
available: 1 nodes (0)
node 0 cpus: 0 1 2 3
node 0 size: 15731 MB
node 0 free: 160 MB
node distances:
node   0
  0:  10

// 如上输出，系统只有一个 Node ，
// 在该 Node 内有 0 1 2 3 处理器
// 该 Node 的内存大小为 15731 MB
// 剩余内存为 160 MB

NUMA 与 Swap 的关系

在 NUMA 下，是否使用 Swap，与特定 Zone 的内存使用情况有关，而不是整体内存使用情况。

通过内存域在 proc 文件系统中的接口 /proc/zoneinfo 来查看前面提到的三个内存阈值（页最小阈值、页低阈值、页高阈值）：

# cat /proc/zoneinfo
Node 0, zone      DMA
...
Node 0, zone    DMA32
...
Node 0, zone   Normal
  pages free     65812
        min      14011
        low      17513
        high     21015
...
      nr_free_pages 65812
      nr_zone_inactive_anon 320181
      nr_zone_active_anon 2581361
      nr_zone_inactive_file 69760
      nr_zone_active_file 82232
...
Node 0, zone  Movable
...
Node 0, zone   Device
...

// pages / min、low、high，就是上面提到的三个内存阈值
// pages / free 剩余内存页数，它与后面的 nr_free_pages 相同
// nr_zone_active_anon / nr_zone_inactive_anon，分别是活跃和非活跃的匿名页数
// nr_zone_active_file 和 nr_zone_inactive_file，分别是活跃和非活跃的文件页数

// 此时，free > high，不会运行 kswapd0 回收内存

# cat /proc/zoneinfo | grep -A 10 'Node 0, zone   Normal'

另外，某个 Node 内存不足时，操作系统可以从其他 Node 寻找空闲内存，也可以从本地内存中回收内存。具体选哪种模式可以通过 /proc/sys/vm/zone_reclaim_mode 来调整：
1）echo 0 > /proc/sys/vm/zone_reclaim_mode，默认模式，既可以从其他 Node 寻找空闲内存，也可以从本地回收内存；
2）echo 1 > /proc/sys/vm/zone_reclaim_mode，只回收本地内存，
3）echo 2 > /proc/sys/vm/zone_reclaim_mode，只回收本地内存，可以回写脏数据回收内存；
4）echo 4 > /proc/sys/vm/zone_reclaim_mode，只回收本地内存，以用 Swap 方式回收内存；

swappiness

Linux Kernel 提供 /proc/sys/vm/swappiness 选项，用来调整使用 Swap 的积极程度。

swappiness 的范围是 0-100
1）数值越大，越积极使用 Swap，也就是更倾向于回收匿名页；
2）数值越小，越消极使用 Swap，也就是更倾向于回收文件页；

swappiness 显示的是默认值 60，这是一个相对中和的配置，所以系统会根据实际运行情况，选择合适的回收类型，比如回收不活跃的匿名页，或者不活跃的文件页。

注意，这并不是内存的百分比，而是调整 Swap 积极程度的权重。即使设置成 0，当 pages_free + File-backed pages < pages_high 时，还是会发生 Swap

分析正在使用 SWAP 的进程

在 /proc/<pid>/status 中，VmSwap，用来查看进程 Swap 换出的虚拟内存大小：

for file in /proc/*/status
do
    awk '/VmSwap|Name|^Pid/{printf $2 " " $3}END{ print ""}' $file
done | sort -k 3 -n -r | head

问题排查：定位和分析 SWAP 使用升高

# sar -r -S 1 // 隔1秒输出一组数据，-r 表示显示内存使用情况，-S 表示显示 Swap 使用情况

// sar 的输出结果是两个表格，第一个表格表示内存的使用情况，第二个表格表示 Swap 的使用情况，前面的 kb 前缀表示单位
// kbcommit，表示当前系统负载需要的内存。它实际上是为了保证系统内存不溢出，对需要内存的估计值。
// %commit，就是 kbcommit 相对总内存的百分比
// kbactive，表示活跃内存，也就是最近使用过的内存，一般不会被系统回收
// kbinact，表示非活跃内存，也就是不常访问的内存，有可能会被系统回收

# dd if=/dev/sdb of=/dev/null bs=1G count=2048

// 观察命令 sar 输出变化
// 可以清楚地看到，总的内存使用率（%memused）在不断增长，从开始的 80% 一直长到了 84%，并且主要内存都被缓冲区（kbbuffers）占用：
// 开始时，剩余内存（kbmemfree）不断减少，而缓冲区（kbbuffers）则不断增大，由此可知，剩余内存不断分配给了缓冲区。
// 渐渐地，总的内存使用率（%memused）开始下降，Swap 的使用开始逐渐增大
// 稳定后，总的内存使用率（%memused）保持在固定范围，62%，

# cachetop

// 使用 cachetop 命令将看到 dd 命令的缓存命中率，这也是 buffer 升高的直接原因

# watch -d grep -A 15 'Normal' /proc/zoneinfo

// 可以发现：
// 剩余内存（pages_free）在一个小范围内不停地波动，当它小于页低阈值（pages_low) 时，又会突然增大到一个大于页高阈值（pages_high）的值

当剩余内存小于页低阈值（pages_low）时，系统会回收一些缓存和匿名内存，使剩余内存增大。缓存回收导致缓冲区减小，匿名内存的回收导致Swap 的使用增大
由于 dd 还在继续剩余内存又会重新分配给缓存，导致剩余内存减少，缓冲区增大。

如果多次运行 dd 和 sar 命令，可能会发现，在多次的循环重复中，有时候是 Swap 用得比较多，有时候 Swap 很少，反而缓冲区的波动更大。换句话说，系统回收内存时，有时候会回收更多的文件页，有时候又回收了更多的匿名页，而 swappiness 正是调整不同类型内存回收的配置选项。

问题总结

SWAP 使用升高，原因：匿名内存回收，并被写入 SWAP 分区

1）通过 free，发现大部分内存都被缓存占用
2）使用 vmstat 或者 sar 观察一下缓存的变化趋势，确认缓存的使用是否还在继续增大
3）用缓存 / 缓冲区分析工具（比如 cachetop、slabtop 等），分析这些缓存到底被哪里占用

参考文献

19 | 案例篇：为什么系统的Swap变高了（上）