3.2 Paging Space，交換區(qū)

UNIX系統(tǒng)都采用虛擬內(nèi)存結(jié)構(gòu)，交換區(qū)與物理內(nèi)存一起提供對(duì)虛擬內(nèi)存的支持。程序直接訪問(wèn)虛擬內(nèi)存空間（Virtual Address Space），虛擬內(nèi)存空間通過(guò)操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存管理系統(tǒng)與物理內(nèi)存和交換區(qū)（就是磁盤(pán)上的一塊區(qū)域）對(duì)應(yīng)。當(dāng)程序訪問(wèn)的虛擬內(nèi)存數(shù)據(jù)不在物理內(nèi)存的時(shí)候，硬件系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生指令/數(shù)據(jù)訪問(wèn)中斷，該中斷調(diào)用例程將需要的數(shù)據(jù)由磁盤(pán)上的交換區(qū)調(diào)入物理內(nèi)存。

另一方面，當(dāng)物理內(nèi)存沒(méi)有足夠的空間存放執(zhí)行數(shù)據(jù)的時(shí)候，虛擬內(nèi)存管理程序執(zhí)行一種被稱(chēng)為“偷頁(yè)”的算法（UNIX中以頁(yè)為單位分配、使用內(nèi)存，AIX中每頁(yè)為4KB），依次詢(xún)問(wèn)每個(gè)內(nèi)存頁(yè)（在物理內(nèi)存中）最近有沒(méi)有被訪問(wèn)過(guò)，如果該頁(yè)沒(méi)有被訪問(wèn)過(guò)，就認(rèn)為該頁(yè)內(nèi)存可以釋放掉。在釋放內(nèi)存之前，還要判斷此內(nèi)存頁(yè)是計(jì)算內(nèi)存還是文件內(nèi)存，如果是計(jì)算內(nèi)存，需要先將內(nèi)存頁(yè)內(nèi)的數(shù)據(jù)保存到磁盤(pán)（交換區(qū)，即交換到磁盤(pán)上，把內(nèi)存空間留給需要內(nèi)存的程序，交換區(qū)結(jié)構(gòu)如圖3-3所示），這種操作被稱(chēng)為“page out”。如果是文件內(nèi)存，就簡(jiǎn)單了，可以直接丟棄掉。關(guān)于什么是計(jì)算內(nèi)存，什么是文件內(nèi)存，我們將在下一節(jié)詳細(xì)介紹。當(dāng)系統(tǒng)需要使用的數(shù)據(jù)恰好在被交換到磁盤(pán)上的內(nèi)存頁(yè)的時(shí)候，虛擬內(nèi)存管理會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，暫停程序執(zhí)行，隨后它自動(dòng)將磁盤(pán)上的內(nèi)存頁(yè)讀回物理內(nèi)存，這就是“page in”操作。

圖3-3 交換區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.1 交換區(qū)多大比較合適

對(duì)于AIX系統(tǒng)，傳統(tǒng)的交換區(qū)配置規(guī)則是與內(nèi)存相等或者大小是其兩倍，如果內(nèi)存很大，可以配置為與內(nèi)存的大小相等或稍小。由于目前系統(tǒng)的內(nèi)存通常配置得較大，所以交換區(qū)大小不需要再特別精確地計(jì)算，而且對(duì)系統(tǒng)的影響也幾乎可以忽略不計(jì)。通常可以根據(jù)運(yùn)行軟件的情況（參考軟件的安裝、規(guī)劃手冊(cè)）進(jìn)行設(shè)置，一些數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用程序通常需要較大的交換區(qū)，例如SAP，建議配置為10~30GB的交換區(qū)，如果物理內(nèi)存更多，則交換區(qū)可以配置到近100GB；而另一些則可能需要很小的交換區(qū)，例如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序，幾百兆字節(jié)的交換區(qū)就足夠了。

以上只是一些經(jīng)驗(yàn)值，每個(gè)系統(tǒng)交換區(qū)的最佳配置大小需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)分析，如果運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)交換區(qū)使用率超過(guò)50%，建議適當(dāng)擴(kuò)大交換區(qū)大小；而如果交換區(qū)經(jīng)常只使用不超過(guò)10%，使可以適當(dāng)減少交換區(qū)空間。另外要注意，如果操作系統(tǒng)版本很低（例如4.3.3），由于不能動(dòng)態(tài)縮小交換區(qū)，不要將交換區(qū)一次擴(kuò)得比較大，可以漸漸增加，但也不要過(guò)于頻繁，那樣做會(huì)產(chǎn)生很多不連續(xù)的交換區(qū)“碎塊”，從而影響性能，所以最好能2~3次就能達(dá)到一個(gè)合理的數(shù)值，以后找時(shí)間通過(guò)“磁盤(pán)整理”消除碎塊。

3.2.2 分配交換區(qū)的建議規(guī)則

建議規(guī)則是：將需要的交換區(qū)空間分成幾乎相等的幾份，分別放置在rootvg的各個(gè)硬盤(pán)上，有幾個(gè)硬盤(pán)就分幾份（可以鏡像，實(shí)際可用的份數(shù)就會(huì)少一半），但最好不要放在外置硬盤(pán)之上。例如一臺(tái)4GB內(nèi)存的主機(jī)，有4塊內(nèi)置硬盤(pán)，可以配置2個(gè)交換區(qū)，每個(gè)大小2GB，分別放在兩個(gè)內(nèi)置硬盤(pán)上，并鏡像到另兩塊硬盤(pán)。也有不對(duì)交換區(qū)進(jìn)行鏡像的建議，這樣可以提高速度，但是如果一塊盤(pán)發(fā)生故障，可能會(huì)引起宕機(jī)，需要管理員在可靠性和性能之間做出選擇。

分配交換區(qū)的命令：

        #smitty pgsp
                                          Paging Space
        Move cursor to desired item and press Enter.
        List All Paging Spaces           顯示交換區(qū)大小
        Add Another Paging Space         增加新交換區(qū)
        Change / Show Characteristics of a Paging Space更改交換區(qū)特性（例如大小）
        Remove a Paging Space                 刪除一個(gè)交換區(qū)
        Activate a Paging Space          激活一個(gè)交換區(qū)
        Deactivate a Paging Space        停止一個(gè)交換區(qū)

3.2.3 如何縮小默認(rèn)的交換區(qū)（hd6）

縮小交換區(qū)并不困難，但是很麻煩（在AIX 5.1以后版本可以動(dòng)態(tài)刪除交換區(qū)，但如果只有一個(gè)交換區(qū)，還是有些問(wèn)題，因?yàn)橄到y(tǒng)要使用一個(gè)“臨時(shí)”的交換區(qū)，需要額外的磁盤(pán)空間），所以盡量不要建出一個(gè)過(guò)大的交換區(qū)為好。如果已經(jīng)如此，那么：

先建一個(gè)臨時(shí)的交換區(qū)空間：mkps -s 20 -a rootvg（生成新交換區(qū)paging00）

設(shè)置下次啟動(dòng)時(shí)不使用默認(rèn)的交換區(qū)hd6：

        #chps -a n hd6

編輯/sbin/rc.boot，將swapon /dev/hd6改為swapon /dev/paging00。

因?yàn)樵瓉?lái)的系統(tǒng)dump設(shè)備為/dev/hd6，在刪除原有的交換區(qū)之前，也要改到新的交換區(qū)上：

        #sysdumpdev -p /dev/paging00

更新啟動(dòng)邏輯卷的信息：

        #bosboot -a -d hdisk0       → 在hdisk0上重新寫(xiě)入引導(dǎo)程序
        #shutdown -Fr                 → 重新引導(dǎo)系統(tǒng)

刪除原來(lái)的hd6，創(chuàng)建新的合適大小的交換區(qū)：

        #rmps hd6
        #mklv -y hd6 -t paging rootvg <size of PS in PP numbers>

重新編輯/sbin/rc.boot文件，將交換區(qū)換為原來(lái)的/dev/hd6：

        #swapon /dev/hd6

將dump設(shè)備改回hd6:

        #sysdumpdev -p /dev/hd6

重新設(shè)置啟動(dòng)邏輯卷信息：

        #bosboot -a -d hdisk0

將當(dāng)前使用的臨時(shí)交換區(qū)設(shè)置為下次啟動(dòng)不激活：

        #chps -a n /dev/paging00

重啟，刪除臨時(shí)的交換區(qū)：

        #rmps paging00

現(xiàn)在可以檢查一下結(jié)果了：

        #lsps -a

3.2.4 交換區(qū)不斷增長(zhǎng)，直至100%怎么辦

如果交換區(qū)持續(xù)增長(zhǎng)則首先需要確認(rèn)交換區(qū)的大小是否足夠，如果不夠則需要增加。一般來(lái)說(shuō)交換區(qū)的分配如果合理，交換區(qū)的利用率會(huì)固定在一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值。如果交換區(qū)的使用率持續(xù)增長(zhǎng)至100%，則會(huì)引起新程序無(wú)法執(zhí)行，或者宕機(jī)。可能的原因是執(zhí)行了非常消耗內(nèi)存的程序或者存在內(nèi)存泄漏問(wèn)題。

用lsps -a命令可以查看交換區(qū)使用率，而當(dāng)系統(tǒng)交換區(qū)接近100%時(shí)，很明顯的跡象是系統(tǒng)會(huì)有如下提示之一：

INIT: Paging space is low

ksh: cannot fork no swap space

Not enough memory

Fork function failed

fork () system call failed

Unable to fork, too many processes

Fork failure - not enough memory available

Fork function not allowed. Not enough memory available.

Cannot fork: Not enough space

此時(shí)你可能可以“眼疾手快”地通過(guò)關(guān)閉（kill）幾個(gè)不重要的程序，釋放出一些內(nèi)存，給你一些緩沖時(shí)間，擴(kuò)大交換區(qū)。但通常你沒(méi)有足夠的時(shí)間，機(jī)器馬上變得很慢，輸入任何命令都沒(méi)反應(yīng)，或者提示以上某一條信息，所有需要新啟動(dòng)服務(wù)程序的服務(wù)也不能工作（例如telnet），但是往往已經(jīng)啟動(dòng)的程序還能夠正常使用，特別是啟動(dòng)后就不再繼續(xù)申請(qǐng)內(nèi)存的程序，例如Oracle。此時(shí)的唯一解決辦法就是堅(jiān)持到可以停機(jī)的時(shí)候，重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，或者通過(guò)其他方式，停止一些消耗內(nèi)存比較大的程序（例如通過(guò)sqlplus訪問(wèn)Oracle，將其停掉），獲得一些內(nèi)存，然后再用其他命令處理，殺掉內(nèi)存占用“大戶(hù)”。因此，如果交換區(qū)使用率經(jīng)常大幅度波動(dòng)的話，經(jīng)常查看交換區(qū)使用率非常有必要。

vmstat命令可以查看所有系統(tǒng)使用的虛擬內(nèi)存，就是vmstat中“avm”一項(xiàng)。（avm的含義是Avtive Virtual Memory，而不是availabile memory！）AVM代表了物理內(nèi)存與交換區(qū)使用的空間的總和（以4KB為單位）。如果avm一項(xiàng)在持續(xù)增長(zhǎng)，就可能有內(nèi)存泄漏，此時(shí)交換區(qū)使用率也一定在增長(zhǎng)。但只用vmstat還無(wú)法定位到具體程序，不可能所有的程序都在泄漏內(nèi)存！那就需要更具體的定位方案了。

3.2.5 交換區(qū)分配策略

AIX系統(tǒng)有三種交換區(qū)分配策略。

1.Late Page Space Allocation（LPSA），交換區(qū)滯后分配策略

在AIX 4.3.2版本以前，操作系統(tǒng)默認(rèn)采用滯后分配策略。滯后分配策略是當(dāng)某個(gè)進(jìn)程申請(qǐng)內(nèi)存的同時(shí)，虛擬內(nèi)存就給它分配了空間，但是只有當(dāng)這塊內(nèi)存真正需要交換到磁盤(pán)上去的時(shí)候，才將磁盤(pán)交換區(qū)上的空間與此內(nèi)存頁(yè)面相關(guān)聯(lián)。因此這種策略不能保證當(dāng)需要進(jìn)行磁盤(pán)交換的時(shí)候有足夠的交換區(qū)空間，因?yàn)榭赡苡袆e的程序“搶先”進(jìn)行磁盤(pán)交換，而占據(jù)了所有的磁盤(pán)空間交換區(qū)。

2.Early Page Space Allocation（EPSA），交換區(qū)預(yù)先分配策略

為了確保進(jìn)程不會(huì)由于缺少交換區(qū)而被“殺”掉，可以使用預(yù)先分配策略。通過(guò)設(shè)置環(huán)境變量PSALLOC為early，將使此后執(zhí)行的程序采用預(yù)先分配策略。采用預(yù)先分配策略可以確保進(jìn)程有交換區(qū)（只要進(jìn)程能夠成功申請(qǐng)內(nèi)存，磁盤(pán)上就保留出對(duì)應(yīng)的空間，并且不能共用）。如果采用了預(yù)先分配策略，并且希望節(jié)省CPU資源，可以考慮設(shè)置另一個(gè)環(huán)境變量NODISCLAIM=true，當(dāng)程序釋放內(nèi)存的時(shí)候，磁盤(pán)交換區(qū)上預(yù)留的空間并不立刻釋放，這樣可以減少部分CPU的操作。

3.Deferred Page Space Allocation（DPSA），交換區(qū)延遲分配策略

從AIX 4.3.2開(kāi)始增加了一種延遲分配策略。與滯后分配策略類(lèi)似，延遲分配策略更為“延遲”，直到需要進(jìn)行磁盤(pán)交換的時(shí)候，才在交換區(qū)空間進(jìn)行分配，所以不會(huì)發(fā)生所分配的空間被搶占的情況，但是由于需要臨時(shí)進(jìn)行空間分配，CPU計(jì)算更為復(fù)雜，對(duì)于有頻繁磁盤(pán)交換的系統(tǒng)，會(huì)影響一定的性能。

只要內(nèi)存數(shù)據(jù)被交換到某塊磁盤(pán)空間，即使內(nèi)存數(shù)據(jù)被page in回內(nèi)存，磁盤(pán)空間依然保留。因此交換區(qū)使用百分比可能并不能真實(shí)反映真正實(shí)用的磁盤(pán)交換區(qū)情況（比真正使用量稍大），因?yàn)槟承┐疟P(pán)數(shù)據(jù)可能已經(jīng)被交換回內(nèi)存，只有當(dāng)使用此內(nèi)存的進(jìn)程釋放了內(nèi)存后，磁盤(pán)交換區(qū)才將分配空間釋放掉。

通過(guò)設(shè)定環(huán)境變量可以控制系統(tǒng)對(duì)于下一個(gè)執(zhí)行程序的交換區(qū)分配策略。例如執(zhí)行：

        #PSALLOC=early;export PSALLOC

可以讓系統(tǒng)執(zhí)行下一個(gè)程序時(shí)采用EPSA（提前分配）策略。系統(tǒng)缺省是defer策略。

3.2.6 交換區(qū)分配問(wèn)題解釋

內(nèi)存、交換區(qū)分配中有許多概念非常令人困惑，其中一些與管理有關(guān)，另一些則與性能有關(guān)，而這兩大部分，都是小型機(jī)技術(shù)中的重中之重。在3.2.1節(jié)“交換區(qū)多大比較合適”一節(jié)中已經(jīng)介紹了一些關(guān)于交換區(qū)大小的經(jīng)驗(yàn)，那么這些經(jīng)驗(yàn)是如何得來(lái)的呢？任何經(jīng)驗(yàn)的背后，都是有理論依據(jù)的，但可能由于沒(méi)有經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析而不為人所知。

交換區(qū)本質(zhì)上就是保存程序、數(shù)據(jù)的空間，由于磁盤(pán)通常用于保存最終結(jié)果，而中間過(guò)渡的數(shù)據(jù)，由于經(jīng)常被頻繁訪問(wèn)，因此被存儲(chǔ)到內(nèi)存中，特別是很多程序并沒(méi)有自行處理臨時(shí)文件的機(jī)制，不會(huì)主動(dòng)將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入磁盤(pán)，因?yàn)檫@需要額外一套復(fù)雜的機(jī)制去處理，處理不好，還會(huì)引起嚴(yán)重的性能問(wèn)題，甚至導(dǎo)致程序故障。因此，將內(nèi)存中暫時(shí)不用的數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)到硬盤(pán)，當(dāng)程序需要這部分?jǐn)?shù)據(jù)的時(shí)候，再把它調(diào)回內(nèi)存中就成為操作系統(tǒng)責(zé)無(wú)旁貸的工作。對(duì)應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，它根本不知道自己的代碼和數(shù)據(jù)在內(nèi)存和硬盤(pán)中換來(lái)?yè)Q去，而以為都是在內(nèi)存中，因此避免了編程的復(fù)雜性；多個(gè)程序都“共用”操作系統(tǒng)提供的內(nèi)存、硬盤(pán)交換功能，顯然代碼效率提高，也更容易優(yōu)化。

這就是操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)：程序?yàn)榱藰O端的性能、效率，自己研發(fā)出某些功能，當(dāng)這些功能開(kāi)始被眾多程序普及使用后，操作系統(tǒng)就“接手”這些功能，集成到操作系統(tǒng)中，成為一項(xiàng)公用的功能，應(yīng)用程序也因此簡(jiǎn)化了許多，當(dāng)然，它又會(huì)去繼續(xù)研究其他好用的功能。邏輯卷管理、交換區(qū)，甚至網(wǎng)絡(luò)通信能力都是這樣一步步從專(zhuān)用程序演化為操作系統(tǒng)的集成功能，最后甚至成為某個(gè)獨(dú)立與服務(wù)器的硬件設(shè)備（例如路由器）。

了解了交換區(qū)的歷史背景，我們就可以回歸交換區(qū)的本質(zhì)去探討交換區(qū)使用和涉及的性能問(wèn)題：交換區(qū)的大小當(dāng)然是夠用就行！太大，暫用額外的磁盤(pán)空間，浪費(fèi)；太小，當(dāng)程序需要的時(shí)候，沒(méi)有足夠的虛擬內(nèi)存空間使用；同時(shí)，程序所要經(jīng)常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)容量，必須小于物理內(nèi)存數(shù)量，否則就會(huì)有嚴(yán)重的性能問(wèn)題。由于這個(gè)原因，交換區(qū)的大小設(shè)置沒(méi)有絕對(duì)的要求，需要根據(jù)應(yīng)用程序的要求進(jìn)行設(shè)置。同時(shí)要注意：所有運(yùn)行中的應(yīng)用程序“經(jīng)常”要訪問(wèn)的內(nèi)存，一定要少于真正的物理內(nèi)存數(shù)量，盡管對(duì)于程序來(lái)說(shuō)，它自己分不出交換區(qū)和物理內(nèi)存，而性能卻差很多，例如幾十倍的差距！

不同程序特性決定了系統(tǒng)配置交換區(qū)的大小需求。如果程序一次性申請(qǐng)內(nèi)存，并且很少再額外申請(qǐng)內(nèi)存（例如Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)），則交換區(qū)并不重要，只要確保指定分配給此程序需要的內(nèi)存少于物理內(nèi)存（一般少于80%的物理內(nèi)存）就可以了；但是如果此程序要求的內(nèi)存非常大，或者經(jīng)常進(jìn)行申請(qǐng)/釋放內(nèi)存操作，則交換區(qū)就需要適當(dāng)增大，具體大小一般根據(jù)程序的需求來(lái)定；還有一種類(lèi)型的程序?qū)儆陂L(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，需要訪問(wèn)大量的數(shù)據(jù)，但訪問(wèn)很不集中，就是大部分時(shí)間都在閑置或一段時(shí)間內(nèi)僅需要一小塊數(shù)據(jù)（如SAP應(yīng)用），這樣內(nèi)存中長(zhǎng)時(shí)間不使用的數(shù)據(jù)會(huì)需要從內(nèi)存中轉(zhuǎn)儲(chǔ)到交換區(qū)，也需要比較大的交換區(qū)。

如果你并不清楚程序的特性，可以在一段時(shí)間對(duì)程序進(jìn)行“監(jiān)視”，觀察程序的內(nèi)存使用情況，最終設(shè)定一個(gè)合適的內(nèi)存交換區(qū)大小。