Linux中的Swap和swappiness

前言

最近在优化虚拟机的内存使用，把阿里云的服务器升级到了带宽更大的新一代，但是配置没有变，实际可用内存大概就1.58G，导致内存很紧张。之前专门配置了ZRAM来节约内存使用，但是一直没有被使用。

今天终于找到了原因：swappiness 居然被配置成了0！

修改了这个参数后问题顺利解决，ZRAM开始正常工作。借这个机会，来详细聊聊Linux中的Swap机制和swappiness参数的作用。

什么是Swap

Swap的基本概念

交换（Swapping）是将内存页复制到硬盘上的预配置空间（称为交换空间Swap Space）以释放该内存页的过程。物理内存和交换空间的组合大小就是可用的虚拟内存量。

Linux中有两种形式的交换空间：

交换分区（Swap Partition）：硬盘的一个独立部分，专门用于交换
交换文件（Swap File）：文件系统中的一个特殊文件

为什么需要Swap

Swap存在有两个重要原因：

内存不足时的缓解：当系统需要的内存多于物理可用内存时，内核会换出较少使用的页面，将内存提供给当前需要内存的应用程序。
优化内存使用：应用程序启动阶段使用的大量页面可能仅用于初始化，然后再也不会使用。系统可以换出这些页面，为其他应用程序甚至磁盘缓存释放内存。

Swap的性能考虑

但是交换也有明显的缺点：磁盘比内存慢得多。

内存速度以纳秒为单位
磁盘以毫秒为单位
访问磁盘可能比访问物理内存慢数万倍

过度的页面换入换出会导致系统性能显著下降，这时候通常只有增加更多RAM才能解决问题。

一点底层背景：页（Page）是什么

Linux 管理物理内存的最小单位是“页”（Page），常见大小 4KB（x86_64 也支持 2MB HugePage、1GB HugeTLB）。当讨论“换出”“换入”时，其实就是把某些页（page frame）在物理内存与交换空间之间移动。

页大体分两类：

匿名页（Anonymous Pages）：进程的堆、栈、匿名 mmap；这些页没有磁盘后备文件，若被换出需要写入 swap。
文件页（File-backed Pages / Page Cache）：来自可执行文件、共享库、文件读缓存；这些页若被回收可以直接丢弃（因为磁盘已有副本），无需写入 swap。

内核在回收内存时更倾向于丢弃“不脏的文件页”，再根据策略评估是否需要把匿名页写入 swap；这正是 swappiness 可以影响的平衡点：在“回收文件缓存”与“把匿名页写到 swap”之间如何取舍。

swappiness参数详解

swappiness是什么

swappiness是Linux 2.6内核添加的一个内核参数，用于控制系统使用swap的激进程度。它的取值范围是0到100（在某些内核版本中可以到200）。

swappiness的作用机制

简单来说：

swappiness=0：最大限度使用物理内存，尽量避免使用swap
swappiness=100：积极使用swap分区，及时将内存数据搬运到swap空间

Linux的默认设置通常是60，意味着当内存使用达到40%（100-60=40）时，就开始使用交换分区。

注意：这只是便于理解的近似说法。真正的触发点与内存水位（watermarks）、内存区域（zone）、回收扫描比例、匿名/文件页活跃/不活跃链表大小等综合因素相关。swappiness 影响的是 vmscan 在回收匿名页 vs 文件页时的扫描权重。

实际影响

以我的经历为例：

服务器内存：1.58GB
之前swappiness=0，ZRAM完全不工作
调整swappiness后，ZRAM开始正常使用，内存压力得到缓解

内核内部是怎么用到 swappiness 的（简化版）

内核的内存回收逻辑在 mm/vmscan.c：

维护多条 LRU 链表：inactive/active × (anon / file)。
回收时计算一个匿名页与文件页的扫描比例：
- 给匿名页扫描权重：anon_prio = swappiness
- 给文件页扫描权重：file_prio = 200 - swappiness（旧版本 100 - swappiness）
根据实际链表大小、脏页比例、回写压力动态调整最终扫描量。

因此：较低的 swappiness 会让内核更“珍惜”匿名页（延迟写出），而优先回收文件缓存；较高的 swappiness 会更早把匿名页写入 swap，保持更多文件缓存（可能利于 I/O 命中，但会牺牲进程驻留页面）。

为什么 swappiness=0 可能有隐藏风险

很多人以为“0=永不使用 swap”，其实并不严格成立——在极端内存压力下内核仍然可能被迫写出匿名页。把它设为 0 往往导致：

匿名页保留到很晚，系统进入 direct reclaim，延迟抖动增大；
如果你启用了 ZRAM / Zswap，这些技术无法发挥“提前压缩冷页”平滑内存曲线的作用；
更容易触发 OOM Killer（因为匿名页迟迟不换出）。

适度（5～20）通常比极端（0或100）更稳健。

ZRAM、Zswap 与传统 Swap 的区别

机制	所在位置	工作方式	典型优势	典型劣势
传统 Swap Partition/File	磁盘/块设备	页写出到磁盘	简单稳定	磁盘 I/O 慢，SSD 磨损
ZRAM	内存中的压缩块设备	直接作为一个 swap 设备	低 I/O、压缩提升“虚拟”容量	占用部分内存作为后备，压缩/解压耗 CPU
Zswap	内核压缩缓存（前端），后端仍是传统 swap	先压缩暂存，不足再写后端	延迟写盘、减少 I/O	仍需后端 swap，管理更复杂

你的场景中启用的是 ZRAM，所以理想路径是：冷的匿名页被压缩进 ZRAM 而不是直接顶着物理内存不放——这就需要一个非 0 的 swappiness。

其它相关内核参数（可选调优）

vm.vfs_cache_pressure：控制内核回收 dentry/inode 缓存的积极性。默认 100。小一些（如 50~80）可让目录/元数据缓存保留更久。
vm.min_free_kbytes：影响低水位线（low watermark），过低可能导致分配抖动；一般不随意改。
vm.dirty_background_ratio / vm.dirty_ratio：控制脏页写回阈值，影响 I/O 突发与回写平滑性。
vm.overcommit_memory 与 vm.overcommit_ratio：决定地址空间分配策略（与真正物理内存耗尽/触发 OOM 的风险相关）。
vm.compaction_proactiveness（较新内核）：主动内存压实，利于大页分配。

这些参数不要一次性“抄配置”，应基于 vmstat, sar, perf 观察瓶颈后再做微调。

如何判断是否出现 Swap 抖动 / 过度回收

使用 vmstat 1 观察：

字段	含义	关注点
si	(swap in) 每秒换入 KB	连续较大且伴随高 CPU sys 说明频繁缺页
so	(swap out) 每秒换出 KB	长时间高，说明匿名页在被不断写出
r	可运行队列	大且 sys% 高，表示 reclaim 压力
wa	I/O wait	与 so 同时升高，可能磁盘瓶颈

如果 si/so 偶尔脉冲且值小，说明只是温和回收；持续高并伴随响应卡顿则需：

检查内存泄漏（pmap, smem, ps -o pid,cmd,rss,vsz --sort=-rss）
降低工作集（关闭不必要服务）
调低 swappiness 或增加 ZRAM 大小
最终：扩容内存。

调优实战步骤（小内存 + ZRAM 场景）

确认 ZRAM 是否启用：lsblk -o NAME,TYPE,SIZE,STATE / zramctl。
评估当前内存：free -h, grep -E 'MemTotal|SwapTotal' /proc/meminfo。
设定目标：希望把不活跃匿名页压缩，避免提前 OOM，同时不让活跃进程频繁缺页。
设置 swappiness 到 8~15 之间（先 10 观测 24h）。
监控：vmstat 5, watch -n 5 'free -m', cat /proc/pressure/memory（若内核支持 PSI）。
若匿名页增长并挤压 page cache，可微幅上调（例如 10→15）；若出现明显 swap 抖动或延迟，上调 ZRAM 压缩算法性能（例如换 lz4）或下调 swappiness。
写下基线数据（调优前后 avg si/so, cache, rss），便于回溯。

常见误区

误区	说明	更合理的理解
swappiness=0 性能最好	实际可能拖延回收导致突发 stalls	低但非 0 更平滑
有 ZRAM 就不需要扩容	压缩只是延缓耗尽	工作集大还是要加物理内存
swap 用了 = 内存不够	轻度使用是健康的	关注是否持续、是否引发延迟
“空闲内存多”才是好	Linux 会用空闲做缓存	看整体命中与延迟，而非空闲数
一套万能 sysctl	不同工作负载差异巨大	数据驱动调优

检查和修改swappiness

查看当前swappiness值

# 方法1：查看proc文件系统
cat /proc/sys/vm/swappiness

# 方法2：使用sysctl命令
sysctl vm.swappiness

查看swap使用情况

# 查看swap空间信息
swapon -s

# 查看内存和swap使用情况
free -h

# 实时监控内存使用
htop

临时修改swappiness

# 方法1：使用sysctl
sysctl vm.swappiness=10

# 方法2：直接写入proc文件系统
echo 10 > /proc/sys/vm/swappiness

永久修改swappiness

编辑/etc/sysctl.conf文件：

1 2	# 添加或修改以下行 vm.swappiness=10

然后应用设置：

sysctl -p

swappiness推荐设置

不同场景的推荐值

根据使用场景，推荐的swappiness设置：

桌面系统：10-20（保证响应速度）
服务器：1-10（减少IO等待）
内存充足的系统：1-5
内存紧张的系统：10-20
数据库服务器：1（避免数据库缓存被swap影响）

我的设置经验

对于我这台1.58GB内存的小服务器：

原来：swappiness=0（ZRAM不工作）
现在：swappiness=10（ZRAM正常工作，性能良好）

选择10而不是更高值的原因：

避免过度使用swap影响性能
让ZRAM有机会发挥作用
保持系统响应速度

清理和管理Swap

清空swap内容

如果需要清空swap空间的内容：

1 2	# 关闭所有swap后重新启用 swapoff -a && swapon -a

监控swap使用

# 持续监控swap使用情况
watch -n 1 'free -h && echo "---" && swapon -s'

# 查看哪些进程在使用swap
for file in /proc/*/status; do awk '/VmSwap|Name/{printf $2 " " $3}END{ print ""}' $file; done | sort -k 2 -n | tail

总结

这次的经历让我深刻理解了swappiness参数的重要性：

swappiness=0并不是最优选择：完全禁用swap可能导致ZRAM等内存优化技术无法正常工作
合理设置swappiness很重要：根据实际场景选择合适的值，平衡性能和内存使用
监控很关键：定期检查内存和swap使用情况，及时调整配置

对于内存紧张的小服务器，建议：

设置swappiness为5-15
启用ZRAM等内存压缩技术（参见：为Linux服务器开启ZRAM来节约内存）
定期监控内存使用情况
必要时考虑升级内存配置

希望这次分享能帮助遇到类似问题的朋友们！

参考与延伸阅读

内核源码（vmscan）：https://github.com/torvalds/linux/blob/master/mm/vmscan.c
man 手册：man 5 proc, man sysctl
相关文章：为Linux服务器开启ZRAM来节约内存（站内）

欢迎在此基础上结合你自己的工作负载继续观察与微调。若后面再调 Zswap / cgroup v2 memory 限制，也可以再展开一篇。:)

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