LinuxでのSwappinessとは何ですか？ （およびそれを変更する方法）

Linuxのswappiness値は、スワッピングが開始される前に使用されるRAMの量とは関係ありません。 これは広く報告され、広く信じられている間違いです。 それが実際に何であるかを説明します。

Swapinessについての神話を破る

スワッピングは、ランダムアクセスメモリ（RAM）のデータをハードディスクの特別な場所（スワップパーティションまたはスワップファイル）に書き込んでRAMを解放する手法です。

Linuxには、swappiness値と呼ばれる設定があります。 この設定が何を制御するかについては多くの混乱があります。 swappinessの最も一般的な誤った説明は、RAM使用量のしきい値を設定し、使用されているRAMの量がそのしきい値に達すると、スワッピングが開始されることです。

これは誤解であり、頻繁に繰り返されているため、今では知恵を受けています。 （ほぼ）他のすべての人がそれがまさにswappinessの仕組みであるとあなたに言うなら、私たちがそうではないと言うとき、なぜあなたは私たちを信じるべきですか？

単純。 それを証明します。

RAMはゾーンに分割されています

Linuxは、RAMを1つの大きな同種のメモリプールとは見なしません。 ゾーンと呼ばれるいくつかの異なる領域に分割されていると見なされます。 コンピューターに存在するゾーンは、32ビットか64ビットかによって異なります。 これは、x86アーキテクチャーコンピューターで可能なゾーンの簡単な説明です。

• ダイレクトメモリアクセス（DMA） ：これは16MBのメモリの低さです。 ゾーンの名前は、昔、物理メモリのこの領域に直接メモリアクセスしかできないコンピュータがあったために付けられました。
• Direct Memory Access 32 ：その名前にもかかわらず、Direct Memory Access 32（DMA32）は64ビットLinuxでのみ見られるゾーンです。 これは、4GBのメモリ不足です。 32ビットコンピューターで実行されているLinuxは、この量のRAMに対してのみDMAを実行できます（物理アドレス拡張（PAE）カーネルを使用している場合を除く）。これがゾーンの名前の由来です。 ただし、32ビットコンピューターでは、HighMemと呼ばれます。
• 通常：64ビットコンピューターでは、通常のメモリは4GBを超えるすべてのRAMです（おおよそ）。 32ビットマシンでは、16MBから896MBのRAMです。
• HighMem ：これは32ビットLinuxコンピューターにのみ存在します。 十分に大きなマシンの4GBを超えるRAMを含め、すべて896MBを超えるRAMです。

PAGESIZE値

RAMは、固定サイズのページに割り当てられます。 そのサイズは、コンピュータのアーキテクチャを検出することにより、起動時にカーネルによって決定されます。 通常、Linuxコンピューターのページサイズは4Kバイトです。

getconfコマンドを使用してページサイズを確認できます。

 getconf PAGESIZE 

ゾーンはノードに接続されています

ゾーンはノードに接続されています。 ノードは中央処理装置（CPU）に関連付けられています。 カーネルは、CPUに関連付けられたノードから、CPUで実行されているプロセスにメモリを割り当てようとします。

ノードをCPUに接続するという概念により、Non-Uniform Memory Accessアーキテクチャを使用して、混合メモリタイプを専用のマルチCPUコンピュータにインストールできます。

それはすべて非常にハイエンドです。 平均的なLinuxコンピューターには、ノードゼロと呼ばれる単一のノードがあります。 すべてのゾーンはそのノードに属します。 コンピューターのノードとゾーンを確認するには、 /proc/buddyinfoファイルの内部を確認してください。 そのために使用する量はlessなります。

 少ない/ proc / buddyinfo 

これは、この記事が調査された64ビットコンピューターからの出力です。

 ノード0、ゾーンDMA 1 1 1 0 2 1 1 0 1 1 3
ノード0、ゾーンDMA32 2 67 58 19 8 3 3 1 1 1 17

単一のノード、ノードゼロがあります。 このコンピューターには2GBのRAMしかないため、「通常」ゾーンはありません。 DMAとDMA32の2つのゾーンしかありません。

各列は、特定のサイズの使用可能なページ数を表します。 たとえば、DMA32ゾーンの場合、左から読み取ります。

• 2 ：2 ^（ 0 * PAGESIZE）のメモリチャンクが2つあります。
• 67 ：メモリの2 ^（ 1 * PAGE_SIZE）チャンクが67個あります。
• 58 ：使用可能なメモリの2 ^（ 2 * PAGESIZE）チャンクが58個あります。
• などなど、ずっと…
• 17 ：2 ^（ 512 * PAGESIZE）チャンクが17個あります。

しかし、実際には、この情報を確認する唯一の理由は、ノードとゾーンの関係を確認することです。

ファイルページと匿名ページ

メモリマッピングは、ページテーブルエントリのセットを使用して、どのメモリページが何のために使用されたかを記録します。

メモリマッピングは次のようになります。

• ファイルバック：ファイルバックマッピングには、ファイルから読み取られたデータが含まれます。 どんな種類のファイルでもかまいません。 注意すべき重要な点は、システムがこのメモリを解放し、そのデータを再度取得する必要がある場合、ファイルからもう一度データを読み取ることができるということです。 ただし、データがメモリ内で変更されている場合は、メモリを解放する前に、それらの変更をハードドライブ上のファイルに書き込む必要があります。 それが行われなかった場合、変更は失われます。
• 匿名：匿名メモリは、ファイルやデバイスがバックアップしていないメモリマッピングです。 これらのページには、データを保持するために、またはスタックやヒープなどのためにプログラムによってオンザフライで要求されたメモリが含まれている場合があります。 このタイプのデータの背後にはファイルがないため、匿名データを保存するための特別な場所を確保する必要があります。 その場所がスワップパーティションまたはスワップファイルです。 匿名データは、匿名ページが解放される前にスワップに書き込まれます。
• デバイスバックアップ：デバイスは、ファイルであるかのように扱うことができるブロックデバイスファイルを介してアドレス指定されます。 それらからデータを読み取ったり、書き込んだりすることができます。 デバイスに裏打ちされたメモリマッピングには、デバイスからのデータが格納されています。
• 共有：複数のページテーブルエントリをRAMの同じページにマップできます。 いずれかのマッピングを介してメモリ位置にアクセスすると、同じデータが表示されます。 これらの共同で監視されるメモリ位置のデータを変更することにより、さまざまなプロセスが非常に効率的な方法で相互に通信できます。 書き込み可能な共有マッピングは、高性能のプロセス間通信を実現するための一般的な手段です。
• コピーオンライト：コピーオンライトは遅延割り当て手法です。 すでにメモリ内にあるリソースのコピーが要求された場合、元のリソースへのマッピングを返すことで要求が満たされます。 リソースを「共有」するプロセスの1つがリソースに書き込もうとした場合、新しいコピーに変更を加えることができるように、リソースをメモリ内で真に複製する必要があります。 したがって、メモリ割り当ては最初の書き込みコマンドでのみ行われます。

交換性については、リストの最初の2つ（ファイルページと匿名ページ）だけを気にする必要があります。

Swappiness

GitHubのLinuxドキュメントからのswappinessの説明は次のとおりです。

"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."

それは、swappinessがスワップの強度を上下させるように聞こえます。 興味深いことに、swappinessをゼロに設定してもスワップはオフになりません。 特定の条件が満たされるまでスワップしないようにカーネルに指示します。 ただし、スワッピングは引き続き発生する可能性があります。

もっと深く掘り下げましょう。 カーネルソースコードファイルvmscan.cのvm_swappinessの定義とデフォルト値は次のとおりです。

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

スワップピネス値の範囲は0〜100です。繰り返しになりますが、コメントは、スワップピネス値がスワッピングの量に関係しているように聞こえます。数値が大きいほど、スワッピングが多くなります。

さらにソースコードファイルで、 swappinessと呼ばれる新しい変数に、関数mem_cgroup_swappiness()によって返される値が割り当てられていることがわかります。 ソースコードをさらにトレースすると、この関数によって返される値がvm_swappinessであることがわかります。 これで、変数swappinessは、 vm_swappinessが設定された値と等しくなるように設定されます。

int swappiness = mem_cgroup_swappiness(memcg);

同じソースコードファイルの少し下に、次のように表示されます。

/*
* 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;

それは面白い。 2つの異なる値がswappinessから導出されます。 anon_prio変数とfile_prio変数は、これらの値を保持します。 一方が増加すると、もう一方は減少し、その逆も同様です。

Linuxのswappiness値は、実際には2つの値の間の比率を設定します。

黄金比

ファイルページには、そのメモリが解放された場合に簡単に取得できるデータが保持されます。 Linuxはファイルを再度読み取ることができます。 これまで見てきたように、RAM内のファイルデータが変更された場合、ファイルページを解放する前に、それらの変更をファイルに書き込む必要があります。 ただし、どちらの方法でも、ファイルからデータを読み取ることにより、RAM内のファイルページを再作成できます。 では、なぜこれらのページをわざわざスワップパーティションまたはスワップファイルに追加するのでしょうか。 そのデータが再度必要になった場合は、スワップスペースの冗長コピーではなく、元のファイルからデータを読み戻すことをお勧めします。 したがって、ファイルページはスワップに保存されません。 それらは元のファイルに「保存」されます。

匿名ページの場合、メモリ内の値に関連付けられた基になるファイルはありません。 それらのページの値は動的に到達しています。 ファイルから単純に読み戻すことはできません。 匿名ページのメモリ値を回復できる唯一の方法は、メモリを解放する前にデータをどこかに保存することです。 そして、それがスワップが保持するものです。 再度参照する必要がある匿名ページ。

ただし、ファイルページと匿名ページの両方で、メモリを解放するにはハードドライブへの書き込みが必要になる場合があることに注意してください。 ファイルへの最後の書き込みまたはスワップ以降にファイルページデータまたは匿名ページデータが変更された場合は、ファイルシステムへの書き込みが必要です。 データを取得するには、ファイルシステムの読み取りが必要になります。 どちらのタイプのページの再利用にもコストがかかります。 匿名ページのスワッピングを最小限に抑えてハードドライブの入出力を削減しようとすると、ファイルへの書き込みおよびファイルからの読み取りを処理するために必要なハードドライブの入出力の量が増えるだけです。

最後のコードスニペットからわかるように、2つの変数があります。 1つは「ファイルの優先度」を表すfile_prioと呼ばれ、もう1つは「匿名の優先度」をanon_prioと呼ばれます。

• anon_prio変数は、Linuxのswappiness値に設定されます。
• file_prio値は、200からanon_prio値を引いた値に設定されます。

これらの変数は、連携して機能する値を保持します。 両方が100に設定されている場合、それらは等しくなります。 その他の値の場合、 anon_prioは100から0に減少し、 file_prioは100から200に増加します。2つの値は、Linuxカーネルがファイルページの再利用（解放）を優先して実行されるか匿名で実行されるかを決定する複雑なアルゴリズムにフィードされます。ページ。

anon_prioは、ファイルページを解放するシステムの意欲と考えることができ、 file_prioは、匿名ページを解放するシステムの意欲と考えることができます。 これらの値が実行しないのは、スワップが使用されるタイミングのトリガーまたはしきい値を設定することです。 それは他の場所で決定されます。

ただし、メモリを解放する必要がある場合は、これら2つの変数（およびそれらの比率）が再利用およびスワップアルゴリズムによって考慮され、解放するために優先的に考慮されるページタイプが決定されます。 そして、それは、関連するハードドライブアクティビティがファイルページのファイルを処理するのか、匿名ページのスペースを交換するのかを決定します。

スワップが実際に割り込むのはいつですか？

Linuxのswappiness値は、再利用の可能性があるかどうかスキャンされるメモリページのタイプの優先順位を設定することを確立しました。 それは問題ありませんが、スワップがいつ削減されるかを決定する必要があります。

各メモリゾーンには、最高水準点と最低水準点があります。 これらはシステムから派生した値です。 これらは、各ゾーンのRAMのパーセンテージです。 スワップトリガーのしきい値として使用されるのはこれらの値です。

最高水準点と最低水準点を確認するには、次のコマンドを使用して/proc/zoneinfoファイルの内部を確認します。

 少ない/ proc / zoneinfo 

各ゾーンには、ページ単位で測定されたメモリ値のセットがあります。 テストマシンのDMA32ゾーンの値は次のとおりです。 最低水準点は13966ページで、最高水準点は16759ページです。

• 通常の実行状態では、ゾーン内の空きメモリがゾーンの最低水準点を下回ると、スワップアルゴリズムは、 anon_prioとfile_prioの相対値を考慮して、再利用できるメモリを探してメモリページのスキャンを開始します。
• Linuxのswappiness値がゼロに設定されている場合、ファイルページと空きページの合計値が最高水準点を下回るとスワップが発生します。

したがって、Linuxのswappiness値を使用して、RAM使用量に関するスワップの動作に影響を与えることはできないことがわかります。 それはそのようには機能しません。

Swapinessは何に設定する必要がありますか？

これは、ハードウェア、ワークロード、ハードドライブの種類、およびコンピューターがデスクトップかサーバーかによって異なります。 明らかに、これはすべてのタイプの設定に適合するワンサイズになるわけではありません。

また、メモリスペースが不足しているときに、スワップはRAMを解放するメカニズムとして使用されるだけではないことに注意する必要があります。 スワップは正常に機能するシステムの重要な部分であり、スワップがないと、Linuxが適切なメモリ管理を実現するのは非常に困難になります。

Linuxのswappiness値を変更すると、すぐに効果があります。 再起動する必要はありません。 そのため、微調整を行って効果を監視できます。 理想的には、これを数日間にわたって行い、コンピューター上でさまざまな種類のアクティビティを実行して、可能な限り理想的な設定に最も近いものを見つけようとします。

これらは考慮すべきいくつかのポイントです：

• Linuxのswappiness値をゼロに設定して「スワップを無効に」しようとすると、スワップに関連付けられたハードドライブのアクティビティがファイルに関連付けられたハードドライブのアクティビティにシフトするだけです。
• 老朽化した機械式ハードドライブを使用している場合は、Linuxのswappiness値を減らして、匿名ページの再利用から遠ざけ、スワップパーティションのチャーンを減らしてみてください。 もちろん、一方の設定を下げると、もう一方の設定が大きくなります。 スワップチャーンを減らすと、ファイルシステムチャーンが増える可能性があります。 しかし、あなたのコンピュータは、一方の方法をもう一方の方法よりも好む方が幸せかもしれません。 本当に、確実に知る唯一の方法は、試してみることです。
• データベースサーバーなどの単一目的サーバーの場合、データベースソフトウェアのサプライヤからガイダンスを入手できます。 多くの場合、これらのアプリケーションには、信頼できる独自の目的に合わせて設計されたファイルキャッシュとメモリ管理ルーチンがあります。 ソフトウェアプロバイダーは、マシンの仕様とワークロードに応じてLinuxのswappiness値を提案する場合があります。
• かなり最近のハードウェアを使用している平均的なデスクトップユーザーの場合はどうでしょうか。 そのままにしておきます。

LinuxSwappiness値を設定する方法

スワップネス値を変更する前に、現在の値を知る必要があります。 あなたがそれを少し減らしたいのなら、質問は何よりも少し少ないですか？ あなたはこのコマンドで見つけることができます：

 cat / proc / sys / vm / swappiness 

swappiness値を設定するには、 sysctlコマンドを使用します。

 sudo sysctl vm.swappiness = 45 

新しい値はすぐに使用され、再起動は必要ありません。

実際、再起動すると、swappiness値はデフォルト値の60に戻ります。実験を終了し、使用する新しい値を決定したら、 /etc/sysctl.confに追加することで、再起動後も永続化できます。 /etc/sysctl.confファイル。 好きなエディタを使用できます。 次のコマンドを使用して、 nanoエディターでファイルを編集します。

 sudo nano /etc/sysctl.conf 

nanoが開いたら、ファイルの一番下までスクロールして、この行を追加します。 永続的なswappiness値として35を使用しています。 使用したい値に置き換えてください。

 vm.swappiness = 35 

変更を保存してnanoを終了するには、「Ctrl + O」を押し、「Enter」を押し、「Ctrl + Z」を押します。

メモリ管理は複雑です

メモリ管理は複雑です。 そのため、平均的なユーザーにとっては、通常、カーネルに任せる方がよいでしょう。

自分よりも多くのRAMを使用していると考えるのは簡単です。 topやfreeのようなユーティリティは、間違った印象を与える可能性があります。 Linuxは、ディスクキャッシングなど、さまざまな目的で空きRAMを使用します。 これにより、「使用済み」メモリの数値が人為的に増加し、「空き」メモリの数値が減少します。 実際、ディスクキャッシュとして使用されるRAMは、いつでも非常に迅速に再利用できるため、「使用済み」と「使用可能」の両方のフラグが立てられます。

スワップが機能していないように見える、またはswappinessの値を変更する必要がある初心者向け。

いつものように、悪魔は細部に宿っています。 または、この場合、デーモン。 カーネルスワップデーモン。