Einführung in den Swap-Speicher des Linux-Systems

Swap-Speicher ist heutzutage ein gängiger Aspekt der Computernutzung, unabhängig vom Betriebssystem. Linux verwendet Swap-Speicher, um die Menge des für den Hostcomputer verfügbaren virtuellen Speichers zu erhöhen. Es können eine oder mehrere dedizierte Swap-Partitionen oder Swap-Dateien auf einem regulären Dateisystem oder logischen Datenträger verwendet werden.

In einem typischen Computer gibt es zwei grundlegende Speichertypen. Der erste Typ, der Direktzugriffsspeicher (RAM), wird zum Speichern von Daten und Programmen verwendet, während sie aktiv vom Computer verwendet werden. Sofern Programme und Daten nicht im RAM gespeichert sind, kann der Computer sie nicht verwenden. RAM ist ein flüchtiger Speicher. Das heißt, wenn Sie Ihren Computer ausschalten, gehen die im RAM gespeicherten Daten verloren.
Eine Festplatte ist ein magnetisches Medium, das zur langfristigen Speicherung von Daten und Programmen verwendet wird. Magnetische Medien sind nichtflüchtig; auf der Festplatte gespeicherte Daten bleiben erhalten, auch wenn der Computer vom Strom getrennt wird. Die CPU (Central Processing Unit) kann nicht direkt auf Programme und Daten auf der Festplatte zugreifen; diese müssen zunächst in den RAM kopiert werden und dort kann die CPU auf die von ihr programmierten Anweisungen und die Daten zugreifen, die diese Anweisungen verarbeiten sollen. Während des Bootvorgangs kopiert der Computer bestimmte Betriebssystemprogramme (wie den Kernel, Init oder Systemd) und Daten von der Festplatte in den Arbeitsspeicher (RAM), auf den der Prozessor des Computers (CPU) direkt zugreift.

Swap-Speicherplatz

Swap Space ist ein zweiter Speichertyp in modernen Linux-Systemen. Die Hauptfunktion des Swap-Speichers besteht darin, den RAM-Speicher durch Festplattenspeicher zu ersetzen, wenn der Realspeicher voll ist und mehr Speicherplatz benötigt wird.

Angenommen, Sie haben ein Computersystem mit 8 GB RAM. Wenn die von Ihnen gestarteten Programme den RAM nicht füllen, ist alles in Ordnung und es ist kein Auslagern erforderlich. Nehmen wir jedoch an, dass die Tabelle, an der Sie arbeiten, durch das Hinzufügen weiterer Zeilen wächst und in Kombination mit allen anderen laufenden Programmen nun Ihren gesamten Arbeitsspeicher füllt. Wenn kein Swap-Speicherplatz verfügbar ist, müssen Sie die Arbeit an Ihrer Tabelle unterbrechen, bis Sie durch Schließen anderer Programme einen Teil Ihres begrenzten RAM freigeben können.

Der Kernel verwendet einen Speichermanager, um Speicherblöcke oder Seiten zu erkennen, deren Inhalt kürzlich nicht verwendet wurde. Der Speichermanager lagert diese relativ selten genutzten Speicherseiten in eine spezielle Partition auf der Festplatte aus, die speziell für das „Paging“ bzw. Auslagern vorgesehen ist. Dadurch wird RAM freigegeben und Platz für die Eingabe weiterer Daten in die Tabelle geschaffen. Der Speicherverwaltungscode des Kernels verfolgt die auf die Festplatte ausgelagerten Speicherseiten und lagert sie bei Bedarf wieder in den RAM aus.

Die Gesamtspeichermenge eines Linux-Computers besteht aus RAM plus Swap-Speicher, auch virtueller Speicher genannt.

Arten von Linux-Swaps

Linux bietet zwei Arten von Swap-Speicher. Standardmäßig erstellen die meisten Linux-Installationen eine Swap-Partition, es ist jedoch auch möglich, eine speziell konfigurierte Datei als Swap-Datei zu verwenden. Eine Swap-Partition ist genau das, was ihr Name vermuten lässt – eine Standard-Festplattenpartition, die mit dem Befehl mkswap erstellt wird.

Wenn Sie nicht über genügend Speicherplatz verfügen, um eine neue Swap-Partition zu erstellen, oder wenn Sie in einer Volume-Gruppe ein logisches Volume für den Swap-Speicher erstellen können, können Sie eine Swap-Datei verwenden. Dies ist nur eine normale Datei, die erstellt und der angegebenen Größe vorab zugewiesen wird. Verwenden Sie dann den Befehl mkswap, um ihn als Swap-Speicher zu konfigurieren. Ich empfehle nicht, Dateien als Auslagerungsspeicher zu verwenden, es sei denn, dies ist unbedingt erforderlich.

Schock

Thrashing tritt auf, wenn der gesamte virtuelle Speicher (einschließlich RAM und Swap-Speicher) fast voll ist. Das System verbringt so viel Zeit damit, Speicherblöcke zwischen Swap-Speicher und RAM auszulagern und sie dann wieder zurückzulagern, dass kaum noch Zeit für die eigentliche Arbeit übrig bleibt. Die klassischen Symptome hierfür sind offensichtlich: Das System wird träge oder reagiert überhaupt nicht mehr, und die Festplattenaktivität wird fast ständig angezeigt.

Wenn es Ihnen gelingt, einen Befehl wie „free“ einzugeben, der die CPU-Auslastung und die Speichernutzung anzeigt, werden Sie feststellen, dass die CPU-Auslastung sehr hoch ist, möglicherweise das 30- bis 40-fache der Anzahl der CPU-Kerne im System. Ein weiteres Symptom ist, dass sowohl RAM als auch Swap-Speicher fast vollständig zugewiesen sind.

Auch eine anschließende Betrachtung der SAR-Daten (System Activity Report) kann diese Symptome zeigen. Ich installiere SAR auf jedem System, an dem ich arbeite, und verwende es für forensische Analysen nach der Reparatur.

Was ist die angemessene Menge an Swap-Speicherplatz?

Vor vielen Jahren lautete die Faustregel für die Menge an Swap-Speicher, die Sie auf Ihrer Festplatte zuweisen sollten, doppelt so groß wie die in Ihrem Computer installierte RAM-Menge (natürlich wird der RAM bei den meisten Computern in KB oder MB gemessen). Wenn der Computer über 64 KB RAM verfügt, wäre eine Swap-Partition mit 128 KB die optimale Größe. Diese Regel berücksichtigt die Tatsache, dass die Größe des RAM damals im Allgemeinen klein war und die Zuweisung von mehr als dem doppelten RAM-Speicher für den Swap-Speicher keine Leistungsverbesserung brachte. Die meisten Systeme verbringen mehr Zeit mit dem Auslagern als mit der eigentlichen Arbeit, da sie über mehr als die doppelte Speicherkapazität verfügen.

RAM ist zu einem billigen Gut geworden und die meisten Computer verfügen heute über große RAM-Mengen, die auf mehrere zehn GB erweiterbar sind. Die meisten meiner neueren Computer haben mindestens 8 GB RAM, einer hat 32 GB und meine Hauptarbeitsstation hat 64 GB. Meine alten Computer hatten zwischen 4 und 8 GB RAM.

Bei Computern mit großen RAM-Mengen ist der begrenzende Leistungsfaktor für den Swap-Speicher viel niedriger als der 2X-Multiplikator. Fedora 28 definiert die aktuelle Idee der Swap-Speicherplatzzuweisung. Nachfolgend habe ich eine Tabelle mit einigen Diskussionen und Vorschlägen aus diesem Dokument beigefügt.

In der folgenden Tabelle finden Sie empfohlene Größen für Swap-Partitionen, abhängig von der RAM-Menge im System und davon, ob Sie genügend Speicher für den Ruhezustand des Systems bereitstellen müssen. Die empfohlene Größe der Swap-Partition wird während der Installation automatisch ermittelt. Um den Ruhezustand zu ermöglichen, müssen Sie jedoch während der Phase der benutzerdefinierten Partitionierung den Swap-Speicherplatz bearbeiten.

Tabelle 1: Von der Fedora 28-Dokumentation empfohlener System-Swap-Speicher

An den Grenzen zwischen den oben aufgeführten Bereichen (z. B. Systeme mit 2 GB, 8 GB oder 64 GB System-RAM) sollten Sie bei der Auswahl des Swap-Speichers und der Ruhezustandsunterstützung vorsichtig sein. Wenn Ihre Systemressourcen es zulassen, kann eine Vergrößerung des Swap-Speicherplatzes zu einer besseren Leistung führen.

Natürlich haben die meisten Linux-Administratoren ihre eigenen Vorstellungen hinsichtlich der angemessenen Menge an Swap-Speicherplatz – und so ziemlich allem anderen. Tabelle 2 unten ist eine Liste mit Vorschlägen, die auf meinen persönlichen Erfahrungen in verschiedenen Situationen basieren. Diese treffen möglicherweise nicht auf Sie zu, können Ihnen aber wie Tabelle 1 beim Einstieg helfen.

Tabelle 2: Vom Autor empfohlener System-Swap-Speicher

Zu beiden Tabellen muss berücksichtigt werden, dass bei einer Erhöhung der RAM-Menge über einen bestimmten Punkt hinaus das Hinzufügen von mehr Swap-Speicher einfach für Verwirrung sorgt, lange bevor der Swap-Speicher nahezu gefüllt ist. Wenn Ihnen beim Befolgen dieser Vorschläge zu wenig virtueller Speicher zur Verfügung steht, sollten Sie nach Möglichkeit mehr RAM und nicht mehr Swap-Speicher hinzufügen. Wie bei allen Empfehlungen, die sich auf die Systemleistung auswirken, verwenden Sie die Empfehlungen, die für Ihre spezifische Umgebung am besten geeignet sind. Dies erfordert Zeit und Aufwand zum Experimentieren und Vornehmen von Änderungen basierend auf den Bedingungen in Ihrer Linux-Umgebung.

Fügen Sie einer Nicht-LVM-Festplattenumgebung mehr Swap-Speicherplatz hinzu.

Da sich die Anforderungen an den Swap-Speicherplatz auf Hosts ändern, auf denen Linux installiert ist, müssen Sie möglicherweise die für Ihr System definierte Swap-Speicherplatzmenge ändern. Dieses Verfahren kann in allen allgemeinen Situationen verwendet werden, in denen Sie den Swap-Speicherplatz vergrößern müssen. Dabei wird vorausgesetzt, dass ausreichend freier Speicherplatz vorhanden ist. Dieses Verfahren setzt außerdem voraus, dass die Festplatte in „rohe“ EXT 4- und Swap-Partitionen partitioniert ist, ohne Logical Volume Management (LVM) zu verwenden.

Die grundlegenden Schritte sind einfach:

1. Deaktivieren Sie vorhandenen Swap-Speicher.
2. Erstellen Sie eine neue Swap-Partition der gewünschten Größe.
3. Lesen Sie die Partitionstabelle erneut.
4. Konfigurieren Sie die Partition als Swap-Speicher.
5. Fügen Sie eine neue Partition /etc/fSTAB hinzu.
6. Aktivieren Sie den Swap-Vorgang.

Ein Neustart sollte nicht erforderlich sein.

Um sicherzugehen, sollten Sie vor dem Deaktivieren des Swap-Speichers zumindest sicherstellen, dass keine Anwendungen ausgeführt werden und keinen Swap-Speicherplatz verwenden. Mit den Befehlen „free“ oder „top“ können Sie feststellen, ob Ihr Swap-Speicherplatz verwendet wird. Zur Sicherheit können Sie zum Runlevel 1 oder Einzelbenutzermodus zurückkehren.

Deaktivieren Sie Swap-Partitionen, indem Sie den gesamten Swap-Speicher mit dem folgenden Befehl deaktivieren:

swapoff -a

Nun werden die vorhandenen Partitionen auf der Festplatte angezeigt.

fdisk -l

Dadurch wird die aktuelle Partitionstabelle auf jedem Laufwerk angezeigt. Identifiziert die aktuelle Swap-Partition anhand der Nummer.

Starten Sie fdisk im interaktiven Modus mit den Befehlen:

fdisk /dev/<device name>


Zum Beispiel:

fdisk /dev/sda


An diesem Punkt ist fdisk nun interaktiv und funktioniert nur auf dem angegebenen Festplattenlaufwerk.

Verwenden Sie den Unterbefehl fdiskp, um zu überprüfen, ob auf der Festplatte genügend freier Speicherplatz vorhanden ist, um die neue Swap-Partition zu erstellen. Der Speicherplatz auf Ihrer Festplatte wird in 512-Byte-Blöcken sowie Start- und Endzylindernummern ausgedrückt. Daher müssen Sie möglicherweise einige Berechnungen durchführen, um den freien Speicherplatz zwischen und am Ende Ihrer zugewiesenen Partitionen zu ermitteln.

Erstellen Sie mit dem Befehl n eine neue Swap-Partition. fdisk wird Ihnen die Frage nach dem Startzylinder stellen. Standardmäßig wird der verfügbare Zylinder mit der niedrigsten Nummer ausgewählt. Geben Sie die Nummer des Startzylinders ein, wenn Sie sie ändern möchten.

Mit dem Befehl fdisk können Sie jetzt die Größe einer Partition in mehreren Formaten eingeben, einschließlich der letzten Zylindernummer oder der Größe in Bytes, KB oder MB. Geben Sie 4000m ein, wodurch beispielsweise etwa 4 GB Speicherplatz auf der neuen Partition bereitgestellt werden, und drücken Sie die Eingabetaste.

Verwenden Sie den Unterbefehl p, um zu überprüfen, ob die Partitionen wie angegeben erstellt wurden. Beachten Sie, dass die Partitionen möglicherweise nicht Ihren Angaben entsprechen, wenn Sie keine Endzylindernummer verwenden. Der Befehl fdisk kann Speicherplatz nur in Schritten über ganze Zylinder zuordnen, die Partition kann also kleiner oder größer als angegeben sein. Wenn die Partition nicht Ihren Wünschen entspricht, können Sie sie löschen und erneut erstellen.

Nun ist es notwendig, die neue Partition als Swap-Partition zu kennzeichnen. Mit dem Partitionsbefehl können Sie den Partitionstyp angeben. Geben Sie also „t“ ein, geben Sie die Partitionsnummer an, und wenn Sie nach dem Hex-Code des Partitionstyps gefragt werden, geben Sie „82“ ein, was dem Linux-Swap-Partitionstyp entspricht, und drücken Sie die Eingabetaste.

Wenn Sie mit den erstellten Partitionen zufrieden sind, schreiben Sie die neue Partitionstabelle mit dem Befehl w auf die Festplatte. Das Programm fdisk wird beendet und bringt Sie zur Eingabeaufforderung zurück, nachdem es die Änderung der Partitionstabelle abgeschlossen hat. Möglicherweise erhalten Sie die folgende Meldung: „fdisk hat das Schreiben der neuen Partitionstabelle abgeschlossen“:

Die Partitionstabelle wurde geändert!
Aufruf von ioctl() zum erneuten Lesen der Partitionstabelle.
WARNUNG: Das erneute Lesen der Partitionstabelle ist mit Fehler 16 fehlgeschlagen: Gerät oder Ressource beschäftigt.
Der Kernel verwendet immer noch die alte Tabelle.
Die neue Tabelle wird beim nächsten Neustart verwendet.
Datenträger werden synchronisiert.

An diesem Punkt können Sie den Befehl partprobe verwenden, um den Kernel zu zwingen, die Partitionstabelle erneut zu lesen, sodass kein Neustart durchgeführt werden muss.

partprobe


Verwenden Sie nun den folgenden Befehl „fdisk -l“, um die Partitionen aufzulisten. Ihre neue Swap-Partition sollte sich unter den aufgelisteten Partitionen befinden. Stellen Sie sicher, dass der neue Partitionstyp „Linux Swap“ ist.

Die Datei /etc/fSTAB muss geändert werden, um auf die neue Swap-Partition zu verweisen. Eine vorhandene Zeile könnte folgendermaßen aussehen:

LABEL=SWAP-sdaX Swap-Swap-Standardwerte 0 0

Wobei X die Partitionsnummer ist. Fügen Sie je nach Speicherort Ihrer neuen Swap-Partition eine neue Zeile ähnlich dieser hinzu:

/dev/sdaY swap Swap-Standardwerte 0 0

Stellen Sie sicher, dass Sie die richtige Partitionsnummer verwenden. Jetzt können Sie mit dem letzten Schritt, der Erstellung der Swap-Partition, fortfahren. Verwenden Sie den Befehl mkswap, um die Partition als Swap-Partition zu definieren.

mkswap /dev/sdaY


Der letzte Schritt besteht darin, den Swap-Speicher mit dem folgenden Befehl zu aktivieren:

swapon -a


Ihre neue Swap-Partition ist jetzt zusammen mit der zuvor vorhandenen Swap-Partition online. Sie können dies mit den Befehlen „free“ oder „top“ überprüfen.

Fügen Sie der LVM-Festplattenumgebung Swap hinzu.

Wenn Ihre Festplattenkonfiguration LVM verwendet, ist das Ändern des Swap-Speicherplatzes relativ einfach. Auch hier wird davon ausgegangen, dass in der Datenträgergruppe, in der sich der Swap-Datenträger aktuell befindet, Speicherplatz verfügbar ist. Standardmäßig erstellt der Installationsprozess von Fedora Linux in einer LVM-Umgebung die Swap-Partition als logisches Volume. Dies ist einfach, da Sie die Größe des Swap-Volumes einfach erhöhen können.

Im Folgenden sind die erforderlichen Schritte aufgeführt, um den Swap-Speicherplatz in einer LVM-Umgebung zu vergrößern:

1. Schalten Sie alle Swaps aus.
2. Erhöhen Sie die Größe des für den Swap vorgesehenen logischen Datenträgers.
3. Konfigurieren Sie das Volume mit der geänderten Größe als Swap-Speicherplatz.
4. Aktivieren Sie den Swap-Vorgang.

Verwenden wir zunächst den Befehl lvs (list logical volumes).

[root@studentvm1 ~]# lvs
 LV VG Attr LSize Pool Herkunft Daten% Meta% Verschieben Log Cpy% Sync Konvertieren
 Startseite Fedora_StudentVM1 -wi-ao---- 2.00g                           
 pool00 fedora_studentvm1 twi-aotz-- 2,00g 8,17 2,93              
 root fedora_studentvm1 Vwi-aotz-- 2.00g pool00 8.17                  
 Tauschen Sie Fedora_StudentVM1 -wi-ao---- 8,00 g aus.                           
 tmp fedora_studentvm1 -wi-ao---- 5.00g                           
 usr fedora_studentvm1 -wi-ao---- 15.00g                           
 var fedora_studentvm1 -wi-ao---- 10,00 g                           
[root@studentvm1 ~]

Sie können sehen, dass die aktuelle Swap-Größe 8 GB beträgt. In diesem Beispiel möchten wir diesem Swap-Volume 2 GB hinzufügen. Stoppen Sie zunächst den bestehenden Swap. Wenn Swap-Speicherplatz verwendet wird, müssen Sie möglicherweise laufende Programme beenden.

swapoff -a


Erhöhen Sie nun die Größe des logischen Datenträgers.

[root@studentvm1 ~]# lvextend -L +2G /dev/mapper/fedora_studentvm1-swap
 Größe des logischen Volumes fedora_studentvm1/swap wurde von 8,00 GiB (2048 Extents) auf 10,00 GiB (2560 Extents) geändert.
 Die Größe des logischen Datenträgers fedora_studentvm1/swap wurde erfolgreich geändert.
[root@studentvm1 ~]

Führen Sie den Befehl mkswap aus, um die gesamte 10-GB-Partition in den Swap-Speicher zu verschieben.

[root@studentvm1 ~]# mkswap /dev/mapper/fedora_studentvm1-swap
mkswap: /dev/mapper/fedora_studentvm1-swap: Warnung: Alte Swap-Signatur wird gelöscht.
Einrichten von Swapspace Version 1, Größe = 10 GiB (10737414144 Bytes)
kein Label, UUID=3cc2bee0-e746-4b66-aa2d-1ea15ef1574a
[root@studentvm1 ~]

Öffnen Sie den Paket-Drop.

[root@studentvm1 ~]# swapon -a
[root@studentvm1 ~]

Überprüfen Sie nun mit dem Befehl „List block devices“ die Existenz des neuen Swap-Speichers. Auch hier ist kein Neustart erforderlich.

[root@studentvm1 ~]# lsblk 
NAME MAJ:MIN RM GRÖSSE RO TYP MOUNTPUNKT
sda 8:0 0 60G 0 Festplatte 
|-sda1 8:1 0 1G 0 Teil /Boot
`-sda2 8:2 0 59G 0 Teil 
 |-fedora_studentvm1-pool00_tmeta 253:0 0 4M 0 lvm 
 | `-fedora_studentvm1-pool00-tpool 253:2 0 2G 0 lvm 
 | |-fedora_studentvm1-root 253:3 0 2G 0 lvm /
 | `-fedora_studentvm1-pool00 253:6 0 2G 0 lvm 
 |-fedora_studentvm1-pool00_tdata 253:1 0 2G 0 lvm 
 | `-fedora_studentvm1-pool00-tpool 253:2 0 2G 0 lvm 
 | |-fedora_studentvm1-root 253:3 0 2G 0 lvm /
 | `-fedora_studentvm1-pool00 253:6 0 2G 0 lvm 
 |-fedora_studentvm1-swap 253:4 0 10G 0 lvm [SWAP]
 |-fedora_studentvm1-usr 253:5 0 15G 0 lvm /usr
 |-fedora_studentvm1-home 253:7 0 2G 0 lvm /home
 |-fedora_studentvm1-var 253:8 0 10G 0 lvm /var
 `-fedora_studentvm1-tmp 253:9 0 5G 0 lvm /tmp
sr0 11:0 1 1024M 0 rom 
[root@studentvm1 ~]

Sie können dies auch mit dem Befehl swapon -s, top, free oder einem der vielen anderen Befehle überprüfen.

[root@studentvm1 ~]# frei
       insgesamt genutzter freier gemeinsamer Buff/Cache verfügbar
Speicher: 4038808 382404 2754072 4152 902332 3404184
Tausch: 10485756 0 10485756
[root@studentvm1 ~]

Beachten Sie, dass verschiedene Befehle spezielle Gerätedateien in unterschiedlicher Form anzeigen oder als Eingabe erfordern. Es gibt viele Möglichkeiten, auf ein bestimmtes Gerät im /dev-Verzeichnis zuzugreifen.

Zusammenfassen

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