ما هو Swappiness على لينكس؟ (وكيفية تغييره)

لا علاقة لقيمة المبادلة في Linux بكمية ذاكرة الوصول العشوائي المستخدمة قبل بدء التبديل. هذا خطأ تم الإبلاغ عنه على نطاق واسع ويعتقد على نطاق واسع. نفسر ما هو حقا.

خرق الأساطير حول المبادلة

المبادلة هي تقنية يتم فيها كتابة البيانات الموجودة في ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) إلى موقع خاص على القرص الثابت - إما قسم مبادلة أو ملف مبادلة - لتحرير ذاكرة الوصول العشوائي.

لينكس لديه إعداد يسمى قيمة المبادلة. هناك الكثير من الالتباس حول ما يتحكم فيه هذا الإعداد. الوصف الخاطئ الأكثر شيوعًا للمبادلة هو أنه يحدد عتبة لاستخدام ذاكرة الوصول العشوائي ، وعندما تصل كمية ذاكرة الوصول العشوائي المستخدمة إلى هذا الحد ، يبدأ التبديل.

هذه فكرة خاطئة تكررت كثيرًا لدرجة أنها أصبحت الآن حكمة. إذا أخبرك الجميع (تقريبًا) أن هذه هي بالضبط طريقة عمل المقايضة ، فلماذا تصدقنا عندما نقول إنها ليست كذلك؟

بسيط. سنثبت ذلك.

ذاكرة الوصول العشوائي الخاصة بك مقسمة إلى مناطق

لا يفكر Linux في ذاكرة الوصول العشوائي الخاصة بك على أنها مجموعة كبيرة من الذاكرة المتجانسة. تعتبرها مقسمة إلى عدد من المناطق المختلفة تسمى المناطق. تعتمد المناطق الموجودة على جهاز الكمبيوتر الخاص بك على ما إذا كان 32 بت أو 64 بت. فيما يلي وصف مبسط للمناطق المحتملة على كمبيوتر معماري x86.

• الوصول المباشر للذاكرة (DMA) : هذا هو 16 ميغا بايت من الذاكرة منخفضة. حصلت المنطقة على اسمها لأنه ، منذ زمن طويل ، كانت هناك أجهزة كمبيوتر يمكنها فقط الوصول المباشر للذاكرة إلى هذه المنطقة من الذاكرة الفعلية.
• الوصول المباشر للذاكرة 32 : على الرغم من اسمه ، فإن Direct Memory Access 32 (DMA32) هو منطقة موجودة فقط في نظام Linux 64 بت. إنها ذاكرة منخفضة تبلغ 4 غيغابايت. لا يمكن لنظام Linux الذي يعمل على أجهزة كمبيوتر 32 بت عمل DMA إلا لهذا المقدار من ذاكرة الوصول العشوائي (ما لم تكن تستخدم نواة امتداد العنوان الفعلي (PAE)) ، وهي الطريقة التي حصلت بها المنطقة على اسمها. على الرغم من أنه يسمى HighMem على أجهزة الكمبيوتر 32 بت.
• عادي : في أجهزة الكمبيوتر ذات 64 بت ، تكون الذاكرة العادية هي كل ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) التي تزيد عن 4 جيجابايت (تقريبًا). في الأجهزة ذات 32 بت ، تتراوح ذاكرة الوصول العشوائي بين 16 ميغا بايت و 896 ميغا بايت.
• HighMem : هذا موجود فقط على أجهزة كمبيوتر Linux 32 بت. كل ذاكرة الوصول العشوائي فوق 896 ميجابايت ، بما في ذلك ذاكرة الوصول العشوائي التي تزيد عن 4 جيجابايت على الأجهزة الكبيرة بما يكفي.

قيمة PAGESIZE

يتم تخصيص ذاكرة الوصول العشوائي في صفحات ذات حجم ثابت. يتم تحديد هذا الحجم بواسطة kernel في وقت التمهيد عن طريق اكتشاف بنية الكمبيوتر. عادةً ما يكون حجم الصفحة على كمبيوتر Linux هو 4 كيلوبايت.

يمكنك رؤية حجم صفحتك باستخدام الأمر getconf :

 getconf PAGESIZE 

المناطق مرتبطة بالعقد

المناطق مرتبطة بالعقد. العقد مرتبطة بوحدة المعالجة المركزية (CPU). سيحاول kernel تخصيص ذاكرة لعملية تعمل على وحدة المعالجة المركزية من العقدة المرتبطة بوحدة المعالجة المركزية.

يسمح مفهوم العقد التي يتم ربطها بوحدات المعالجة المركزية بتثبيت أنواع ذاكرة مختلطة في أجهزة كمبيوتر متخصصة متعددة وحدات المعالجة المركزية ، باستخدام بنية الوصول إلى الذاكرة غير الموحدة.

هذا كل شيء الراقية للغاية. سيكون لدى كمبيوتر Linux المتوسط ​​عقدة واحدة ، تسمى العقدة صفر. ستنتمي جميع المناطق إلى تلك العقدة. لرؤية العقد والمناطق في جهاز الكمبيوتر الخاص بك ، انظر داخل ملف /proc/buddyinfo . سنستخدم less للقيام بذلك:

 أقل / إجراء / buddyinfo 

هذا هو ناتج كمبيوتر 64 بت تم البحث في هذه المقالة عليه:

 العقدة 0 ، المنطقة DMA 1 1 1 0 2 1 1 0 1 1 3
العقدة 0 ، المنطقة DMA32 2 67 58 19 8 3 3 1 1 1 17

هناك عقدة واحدة ، عقدة صفر. يحتوي هذا الكمبيوتر على 2 غيغابايت فقط من ذاكرة الوصول العشوائي ، لذلك لا توجد منطقة "عادية". توجد منطقتان فقط ، DMA و DMA32.

يمثل كل عمود عدد الصفحات المتاحة بحجم معين. على سبيل المثال ، بالنسبة لمنطقة DMA32 ، القراءة من اليسار:

• 2 : هناك 2 من 2 أجزاء من الذاكرة ^ ( 0 * PAGESIZE).
• 67 : هناك 67 من 2 ^ ( 1 * PAGE_SIZE) أجزاء من الذاكرة.
• 58 : هناك 58 من 2 ^ ( 2 * PAGESIZE) أجزاء متوفرة من الذاكرة.
• وهكذا ، وصولاً إلى ...
• 17 : يوجد 17 من 2 أجزاء ^ ( 512 * حجم الصفحة).

لكن في الحقيقة ، السبب الوحيد الذي يجعلنا ننظر إلى هذه المعلومات هو رؤية العلاقة بين العقد والمناطق.

صفحات الملفات والصفحات المجهولة

يستخدم تخطيط الذاكرة مجموعات من إدخالات جدول الصفحات لتسجيل صفحات الذاكرة المستخدمة ولأي غرض.

يمكن أن تكون تعيينات الذاكرة:

• نسخة مدعومة بالملف: تحتوي التعيينات المدعومة من الملف على بيانات تمت قراءتها من ملف. يمكن أن يكون أي نوع من الملفات. الشيء المهم الذي يجب ملاحظته هو أنه إذا حرر النظام هذه الذاكرة واحتاج إلى الحصول على تلك البيانات مرة أخرى ، فيمكن قراءتها من الملف مرة أخرى. ولكن إذا تم تغيير البيانات في الذاكرة ، فسيلزم كتابة هذه التغييرات في الملف الموجود على القرص الصلب قبل تحرير الذاكرة. إذا لم يحدث ذلك ، فستفقد التغييرات.
• مجهول : الذاكرة المجهولة هي ذاكرة تعيين بدون ملف أو جهاز يدعمها. قد تحتوي هذه الصفحات على ذاكرة تطلبها البرامج بشكل سريع لاحتواء البيانات ، أو لأشياء مثل المكدس والكومة. نظرًا لعدم وجود ملف وراء هذا النوع من البيانات ، يجب تخصيص مكان خاص لتخزين البيانات المجهولة. هذا المكان هو قسم المبادلة أو ملف المبادلة. تتم كتابة البيانات المجهولة للتبديل قبل تحرير الصفحات المجهولة.
• دعم الجهاز : تتم معالجة الأجهزة من خلال ملفات جهاز الحظر التي يمكن التعامل معها كما لو كانت ملفات. يمكن قراءة البيانات منها وكتابتها عليهم. يحتوي تعيين الذاكرة المدعومة من الجهاز على بيانات من جهاز مخزن فيه.
• مشترك : يمكن تعيين إدخالات جدول صفحات متعددة إلى نفس الصفحة من ذاكرة الوصول العشوائي. سيظهر الوصول إلى مواقع الذاكرة من خلال أي من التعيينات نفس البيانات. يمكن أن تتواصل العمليات المختلفة مع بعضها البعض بطريقة فعالة للغاية عن طريق تغيير البيانات في مواقع الذاكرة التي تتم مراقبتها بشكل مشترك. تعد التعيينات المشتركة القابلة للكتابة وسيلة شائعة لتحقيق اتصالات عالية الأداء بين العمليات.
• النسخ عند الكتابة : النسخ عند الكتابة هي تقنية تخصيص بطيئة. في حالة طلب نسخة من مورد موجود بالفعل في الذاكرة ، يتم تلبية الطلب عن طريق إعادة تعيين إلى المورد الأصلي. إذا حاولت إحدى العمليات "مشاركة" المورد الكتابة إليها ، فيجب نسخ المورد حقًا في الذاكرة للسماح بإجراء التغييرات على النسخة الجديدة. لذا فإن تخصيص الذاكرة يتم فقط على أمر الكتابة الأول.

للتبديل ، نحتاج فقط إلى الاهتمام بأول اثنين في القائمة: صفحات الملفات والصفحات المجهولة.

مبادلة

فيما يلي وصف المبادلة من وثائق Linux على GitHub:

"This control is used to define how aggressive (sic) the kernel will swap memory pages. Higher values will increase aggressiveness, lower values decrease the amount of swap. A value of 0 instructs the kernel not to initiate swap until the amount of free and file-backed pages is less than the high water mark in a zone.

The default value is 60."

هذا يبدو وكأن المبادلة يتحول إلى المبادلة لأعلى أو لأسفل بكثافة. ومن المثير للاهتمام ، أنه ينص على أن تعيين Swappiness على صفر لا يؤدي إلى إيقاف تشغيل المبادلة. يوجه kernel إلى عدم المبادلة حتى يتم استيفاء شروط معينة. ولكن لا يزال من الممكن أن تحدث المبادلة.

دعونا نحفر أعمق. إليك التعريف والقيمة الافتراضية لـ vm_swappiness في ملف التعليمات البرمجية المصدر لـ kernel vmscan.c:

/*
* From 0 .. 100. Higher means more swappy.
*/
int vm_swappiness = 60;

يمكن أن تتراوح قيمة المبادلة من 0 إلى 100. مرة أخرى ، يبدو التعليق بالتأكيد أن قيمة المبادلة لها تأثير على مقدار التبادل الذي يحدث ، حيث يؤدي الرقم الأعلى إلى مزيد من المقايضة.

علاوة على ذلك ، في ملف التعليمات البرمجية المصدر ، يمكننا أن نرى أن متغيرًا جديدًا يسمى swappiness يتم تعيين قيمة يتم إرجاعها بواسطة الوظيفة mem_cgroup_swappiness() . سيُظهر المزيد من التتبع من خلال الكود المصدري أن القيمة التي تُرجعها هذه الوظيفة هي vm_swappiness . حتى الآن ، تم تعيين swappiness المتغير على مساواة أي قيمة تم تعيين vm_swappiness عليها.

int swappiness = mem_cgroup_swappiness(memcg);

وبعد ذلك بقليل في نفس ملف الكود المصدري ، نرى هذا:

/*
* With swappiness at 100, anonymous and file have the same priority.
* This scanning priority is essentially the inverse of IO cost.
*/
anon_prio = swappiness;
file_prio = 200 - anon_prio;

ذلك مثير للاهتمام. يتم اشتقاق قيمتين متميزتين من swappiness . يحتفظ المتغيران anon_prio و file_prio بهذه القيم. كلما زاد أحدهما ، قل الآخر ، والعكس صحيح .

تحدد قيمة مبادلة Linux النسبة بين قيمتين .

النسبة الذهبية

تحتوي صفحات الملفات على بيانات يمكن استرجاعها بسهولة إذا تم تحرير تلك الذاكرة. يمكن لـ Linux قراءة الملف مرة أخرى. كما رأينا ، إذا تم تغيير بيانات الملف في ذاكرة الوصول العشوائي ، فيجب كتابة هذه التغييرات على الملف قبل تحرير صفحة الملف. ولكن ، في كلتا الحالتين ، يمكن إعادة ملء صفحة الملف في ذاكرة الوصول العشوائي عن طريق قراءة البيانات من الملف. فلماذا تهتم بإضافة هذه الصفحات إلى قسم المبادلة أو ملف المبادلة؟ إذا كنت بحاجة إلى هذه البيانات مرة أخرى ، فيمكنك أيضًا قراءتها مرة أخرى من الملف الأصلي بدلاً من نسخة مكررة في مساحة المبادلة. لذلك لا يتم تخزين صفحات الملف في المبادلة. يتم "تخزينها" مرة أخرى في الملف الأصلي.

مع الصفحات المجهولة ، لا يوجد ملف أساسي مرتبط بالقيم الموجودة في الذاكرة. تم الوصول إلى القيم الموجودة في تلك الصفحات ديناميكيًا. لا يمكنك ببساطة قراءتها مرة أخرى من ملف. الطريقة الوحيدة التي يمكن بها استعادة قيم ذاكرة الصفحة المجهولة هي تخزين البيانات في مكان ما قبل تحرير الذاكرة. وهذا ما تحمله المقايضة. الصفحات المجهولة التي ستحتاج إلى الرجوع إليها مرة أخرى.

لكن لاحظ أنه بالنسبة لكل من صفحات الملفات والصفحات المجهولة ، قد يتطلب تحرير الذاكرة الكتابة على محرك الأقراص الثابتة. إذا تم تغيير بيانات صفحة الملف أو بيانات الصفحة المجهولة منذ آخر مرة تمت كتابتها في الملف أو للتبديل ، يلزم كتابة نظام ملف. لاسترداد البيانات سيتطلب قراءة نظام الملفات. كلا النوعين من استعادة الصفحة مكلفان. إن محاولة تقليل إدخال وإخراج محرك الأقراص الثابتة عن طريق تقليل تبادل الصفحات المجهولة يؤدي فقط إلى زيادة كمية مدخلات محرك الأقراص الثابتة والمخرجات المطلوبة للتعامل مع صفحات الملفات التي تتم كتابتها إلى الملفات والقراءة منها.

كما ترى من مقتطف الشفرة الأخير ، هناك متغيرين. أحدهما يسمى file_prio لـ "أولوية الملف" ، والآخر يسمى anon_prio لـ "الأولوية المجهولة".

• يتم تعيين متغير anon_prio على قيمة مبادلة Linux.
• يتم تعيين قيمة file_prio على 200 مطروحًا منها قيمة anon_prio .

هذه المتغيرات تحمل قيمًا تعمل جنبًا إلى جنب. إذا تم ضبط كلاهما على 100 ، فسيكونان متساويين. لأية قيم أخرى ، anon_prio من 100 إلى 0 ، file_prio من 100 إلى 200. تغذي القيمتان خوارزمية معقدة تحدد ما إذا كانت Linux kernel تعمل مع تفضيل استعادة (تحرير) صفحات الملفات أو مجهول الصفحات.

يمكنك التفكير في file_prio على أنه رغبة النظام في تحرير صفحات الملفات و anon_prio باعتباره رغبة النظام في تحرير صفحات مجهولة المصدر. ما لا تفعله هذه القيم هو تعيين أي نوع من المشغل أو العتبة عند استخدام المبادلة. تقرر ذلك في مكان آخر.

ولكن ، عند الحاجة إلى تحرير الذاكرة ، يتم أخذ هذين المتغيرين - والنسبة بينهما - في الاعتبار من خلال خوارزميات الاسترداد والمبادلة لتحديد أنواع الصفحات التي يتم أخذها في الاعتبار بشكل تفضيلي لتحريرها. وهذا يحدد ما إذا كان نشاط القرص الصلب المرتبط سيعالج الملفات لصفحات الملفات أو مساحة مبادلة لصفحات مجهولة.

متى تقطع المبادلة فعليًا؟

لقد أثبتنا أن قيمة مبادلة Linux تحدد تفضيلًا لنوع صفحات الذاكرة التي سيتم مسحها ضوئيًا لاستردادها المحتمل. هذا جيد ، ولكن يجب أن يقرر شيء ما متى سيتم قطع المقايضة.

تحتوي كل منطقة ذاكرة على علامة مائية عالية وعلامة مائية منخفضة. هذه هي القيم المشتقة من النظام. إنها نسب من ذاكرة الوصول العشوائي في كل منطقة. يتم استخدام هذه القيم كعتبات تشغيل المبادلة.

للتحقق من علامات المياه المرتفعة والمنخفضة ، انظر داخل ملف /proc/zoneinfo بهذا الأمر:

 أقل / عمليات الشراء / zoneinfo 

سيكون لكل منطقة مجموعة من قيم الذاكرة المقاسة بالصفحات. فيما يلي قيم منطقة DMA32 على جهاز الاختبار. علامة انخفاض المياه هي 13966 صفحة ، وعلامة المياه العالية 16759 صفحة:

• في ظروف التشغيل العادية ، عندما تنخفض الذاكرة الحرة في منطقة ما إلى ما دون علامة المياه المنخفضة للمنطقة ، تبدأ خوارزمية المبادلة في مسح صفحات الذاكرة بحثًا عن الذاكرة التي يمكن استعادتها ، مع مراعاة القيم النسبية لـ anon_prio و file_prio .
• إذا تم ضبط قيمة مبادلة Linux على صفر ، يحدث التبادل عندما تكون القيمة المجمعة لصفحات الملف والصفحات المجانية أقل من علامة المياه العالية.

لذلك يمكنك أن ترى أنه لا يمكنك استخدام قيمة مبادلة Linux للتأثير على سلوك المبادلة فيما يتعلق باستخدام ذاكرة الوصول العشوائي. إنها فقط لا تعمل هكذا.

ما الذي يجب تعيين المبادلة عليه؟

يعتمد هذا على الأجهزة وحمل العمل ونوع محرك الأقراص الثابتة وما إذا كان جهاز الكمبيوتر الخاص بك هو سطح مكتب أم خادم. من الواضح أن هذا لن يكون مقاسًا واحدًا يناسب جميع أنواع الإعدادات.

وعليك أن تضع في اعتبارك أن المبادلة لا تستخدم فقط كآلية لتحرير ذاكرة الوصول العشوائي عند نفاد مساحة الذاكرة. يعد Swap جزءًا مهمًا من نظام يعمل بشكل جيد ، وبدونه ، يصبح من الصعب جدًا على Linux تحقيق إدارة الذاكرة السليمة.

تغيير قيمة مبادلة Linux له تأثير فوري ؛ لا تحتاج إلى إعادة التشغيل. حتى تتمكن من إجراء تعديلات صغيرة ومراقبة التأثيرات. من الناحية المثالية ، يمكنك القيام بذلك على مدار أيام ، مع أنواع مختلفة من الأنشطة على جهاز الكمبيوتر الخاص بك ، لمحاولة العثور على الأقرب إلى الإعداد المثالي الذي يمكنك القيام به.

هذه بعض النقاط التي يجب مراعاتها:

• إن محاولة "تعطيل المبادلة" عن طريق تعيين قيمة مبادلة Linux على صفر يؤدي ببساطة إلى تحويل نشاط محرك الأقراص الثابتة المرتبط بالتبديل إلى نشاط محرك الأقراص الثابتة المرتبط بالملف.
• إذا كان لديك محركات أقراص صلبة ميكانيكية متقادمة ، فقد تحاول تقليل قيمة مبادلة Linux للتحيز بعيدًا عن استرداد الصفحة المجهولة وتقليل اضطراب قسم التبادل. بالطبع ، عندما ترفض أحد الإعدادات ، تزداد الإعدادات الأخرى. من المحتمل أن يؤدي تقليل زخم المبادلة إلى زيادة اضطراب نظام الملفات. ولكن قد يكون جهاز الكمبيوتر الخاص بك أكثر سعادة بتفضيل طريقة على الأخرى. حقًا ، الطريقة الوحيدة للتأكيد هي المحاولة والرؤية.
• بالنسبة للخوادم أحادية الغرض ، مثل خوادم قواعد البيانات ، قد تحصل على إرشادات من موردي برنامج قاعدة البيانات. في كثير من الأحيان ، تحتوي هذه التطبيقات على ذاكرة التخزين المؤقت للملفات المصممة لغرضها وإجراءات إدارة الذاكرة التي من الأفضل الاعتماد عليها. قد يقترح مقدمو البرامج قيمة مبادلة Linux وفقًا لمواصفات الجهاز وعبء العمل.
• بالنسبة لمستخدم سطح المكتب العادي الذي يمتلك أجهزة حديثة بشكل معقول؟ اتركها كما هي.

كيفية تعيين قيمة مبادلة Linux

قبل أن تغير قيمة المبادلة الخاصة بك ، عليك أن تعرف قيمتها الحالية. إذا كنت تريد تقليله قليلاً ، فإن السؤال أقل قليلاً من ماذا؟ يمكنك معرفة هذا الأمر:

 cat / proc / sys / vm / swappiness 

لتكوين قيمة المبادلة ، استخدم الأمر sysctl :

 sudo sysctl vm.swappiness = 45 

يتم استخدام القيمة الجديدة على الفور ، ولا يلزم إعادة التشغيل.

في الواقع ، إذا قمت بإعادة التشغيل ، فستعود قيمة Swappiness إلى قيمتها الافتراضية وهي 60. عندما تنتهي من التجربة وتقرر القيمة الجديدة التي ترغب في استخدامها ، يمكنك جعلها ثابتة عبر عمليات إعادة التشغيل عن طريق إضافتها إلى /etc/sysctl.conf ملف /etc/sysctl.conf . يمكنك استخدام أي محرر تفضله. استخدم الأمر التالي لتحرير الملف باستخدام محرر nano :

 sudo nano /etc/sysctl.conf 

عند فتح nano ، قم بالتمرير إلى أسفل الملف وأضف هذا السطر. نحن نستخدم 35 كقيمة مبادلة دائمة. يجب عليك استبدال القيمة التي ترغب في استخدامها.

 vm.swappiness = 35 

لحفظ التغييرات والخروج من nano ، اضغط على "Ctrl + O" ، واضغط على "Enter" ، ثم اضغط على "Ctrl + Z".

إدارة الذاكرة معقدة

إدارة الذاكرة معقدة. ولهذا السبب ، بالنسبة للمستخدم العادي ، من الأفضل عادةً ترك الأمر للنواة.

من السهل أن تعتقد أنك تستخدم ذاكرة وصول عشوائي (RAM) أكثر منك. يمكن أن تعطي الأدوات المساعدة مثل top free انطباعًا خاطئًا. سيستخدم Linux ذاكرة الوصول العشوائي المجانية لمجموعة متنوعة من الأغراض الخاصة به ، مثل التخزين المؤقت على القرص. هذا يرفع بشكل مصطنع رقم الذاكرة "المستخدمة" ويقلل من رقم الذاكرة "الحرة". في الواقع ، ذاكرة الوصول العشوائي المستخدمة كذاكرة تخزين مؤقت للقرص يتم تمييزها على أنها "مستعملة" و "متاحة" لأنه يمكن استعادتها في أي وقت وبسرعة كبيرة.

بالنسبة للمبتدئين الذين قد يبدو أن المقايضة لا تعمل ، أو أن قيمة المبادلة بحاجة إلى التغيير.

كالعادة ، الشيطان يكمن في التفاصيل. أو ، في هذه الحالة ، الخفي. البرنامج الخفي لمبادلة النواة.