【IT工程师小贴士】你真的了解内存交换吗？

大家好，
我是Nomusin，自称是公司里最大的硬件极客。

你听说过“内存交换”这个词吗？如今的电脑性能越来越强大，内存也越来越充足，所以你在使用普通电脑时可能根本不会想到它。

我们公司的一项服务器监控服务涉及交换空间监控，当交换空间消耗增加时，就会发出警报。

SWAP是邪恶的！SWAP必须消失！

我相信肯定也有一些成员和我有同样的想法。……咦？难道真的没有吗？

然而，令人惊讶的是，很少有人真正了解 SWAP 的工作原理以及这种机制的必要性。
因此，这次我将简要解释 SWAP 的逻辑、监控的必要性以及如果没有 SWAP 会发生什么。请注意
，本文不涉及具体的 SWAP 设置。

计算机（PC、服务器）的结构 * 非常粗略

简单来说，计算机由三个主要部分组成：
CPU
、内存（DRAM）
[主内存设备] 、存储（SSD、HDD 等） [辅助内存设备]。

如您所知，CPU是计算机的大脑，负责控制计算。
内存是CPU输入用于计算的数据的临时存储位置，而存储器则是数据永久保存的位置（DRAM在断电时会丢失存储的数据）。

需要注意的是，CPU 不能直接访问存储设备（辅助存储设备） 。
有些人可能会想：“我写的程序不是可以从磁盘读取文件吗！”，但实际上，存储设备上的文件会先加载到内存中，然后 CPU 才会对其进行处理。

内存和存储设备之间的另一个是“速度”。
我相信很多人都有过这样的经历：从机械硬盘 (HDD) 换成固态硬盘 (SSD) 后，电脑运行速度的提升让他们惊喜不已。（如今，配备机械硬盘的电脑越来越少见了……）

这毫不奇怪。固态硬盘 (SSD) 的速度远超机械硬盘 (HDD)。
那么，内存（DRAM）与 SSD 相比如何呢？
DRAM 的速度也远超 SSD，快一个数量级。
速度的衡量标准有很多，例如访问时间和传输速度，但 DRAM 在所有方面都更快。

如果更详细地讲，CPU 配备了多层高速缓存（SRAM），其速度比 DRAM 快几个数量级，但这超出了本主题的范围，所以我们暂时先不谈。

关于主要话题，交换

你是否理解了计算机的一般结构？
现在，让我们进入正题：交换。

你知道“SWAP”这个词的意思吗？
我问谷歌，它给出的解释是
“交换”或“替换”。那么，当发生SWAP时，是不是意味着用一样东西交换另一样东西呢？

首先，什么是交换区？
简单来说，在存储设备上创建的“虚拟内存区域” 。
虽然它是“虚拟内存区域”，但由于它是在存储设备上创建的，因此访问数据的速度与访问存储设备的速度相同，但“比访问内存慢得多”。

此外，由于此交换区域专用于数据交换，其他操作无法向该区域写入文件。因此，例如，如果您分配 1 GB 的交换区域，目标存储上的可用空间将减少 1 GB。

那么，交换区（SWAP）何时使用呢？
当内存不足时就会用到它。
情况发生在多个程序同时运行时，或者某个程序占用大量内存，导致内存无法存储运行所有程序所需的数据时……内存溢出！

如上所述，CPU 无法直接访问存储器（辅助存储器） ，因此程序运行所需的所有数据都必须存储在内存中。如果内存溢出，程序将无法正常运行，并会因内存不足而发生错误。

但是，如果启用了交换空间并且有足够的交换空间（足够大，可以存储从内存溢出的数据），那么它就可以工作。

诀窍在于：
1）为了让CPU获取所需数据，它首先将内存中不常用的数据写入交换区（存储空间）；2）然后，
由于步骤1）而释放出来的内存区域再从存储空间
读取
在内存和存储空间之间进行交换交换！

这样一来，计算机就能像拥有更多内存一样运行。

当然，凡事有利有弊。
正如我之前多次提到的，存储速度很慢。如果每次内存不足时都必须频繁地读写数据，处理速度自然会下降。磁盘 I/O 也会增加。
最终，你会遇到
“虽然能运行，但体验并不流畅……”。不过，这总比因为错误而导致程序停止运行要好得多。

这就是为什么发生交换操作时系统运行速度会变慢的原因。
因此，你不应该忽视交换操作，它其实是一个很有用的功能，可以让一些没有交换操作就无法实现的功能得以运行。

是的， 是我母亲管理我们有限的家庭预算的一种方式……！

*顺便一提，以上解释是针对 Linux 的，但 Windows 也有类似于交换空间（SWAP）的东西，叫做
“虚拟内存”。 ↓就是这样。

默认情况下，Windows 会根据已安装的内存大小计算推荐值并自动分配。

结论

结论如下：

• 如果频繁发生交换操作，系统运行速度会变得非常慢。
• 但是，如果不设置 SWAP，则可能会出现因内存不足而无法启动程序的情况。
• 如果 Linux 运行所需的内存不足，则可能会发生 OOM Killer 事件。

考虑到以上因素，

• 您需要根据系统的内存消耗情况，为交换空间设置合适的大小。
• 不断消耗交换空间的系统首先应该考虑扩大内存容量。
• 如果 SWAP 消耗持续无限增长，则可能是由于程序故障（例如内存泄漏）或设置不当造成的，因此需要进行调查。

为了构建稳定的系统，请确保正确设置 SWAP ！

最后

这里是 SEKARAKU 实验室，我所在的系统开发服务公司。

SEKARAKU 实验室： https://sekarakulab.beyondjapan.com

Beyond 可以处理从服务器设计和构建到运营的一切事宜，因此如果您在服务器端开发方面遇到任何问题，请随时与我们联系。

感谢您阅读到最后。
近年来，随着硬件性能的提升和软件中高效内存管理机制的引入，我们或许不再需要关注交换空间（SWAP）。
然而，它仍然是当今所有操作系统都包含的一项重要功能。
本文仅提供简要介绍，如果您感兴趣，欢迎深入研究。

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