[Перевод] В защиту swap'а [в Linux]: распространенные заблуждения08.02.2018 11:48

Прим. перев.: Эта увлекательная статья, в подробностях раскрывающая предназначение swap в Linux и отвечающая на распространённое заблуждение на этот счёт, написана Chris Down — SRE из Facebook, который, в частности, занимается разработкой новых метрик в ядре, помогающих анализировать нагрузку на оперативную память. И начинает он своё повествование с лаконичного TL; DR…

TL; DR

Swap — достаточно важная часть хорошо функционирующей системы. Без него сложнее достичь разумного управления памятью.
Swap нужен не столько для срочного получения памяти, сколько для ровного и эффективного высвобождения памяти. Использовать его в качестве «срочной памяти» в общем случае очень вредно.
Отключение swap не спасает от проблемы дискового ввода/вывода при конкуренции за память — дисковый I/O просто перемещается с анонимных страниц на файловые. Это не только может быть менее эффективным, поскольку остаётся меньший пул страниц, доступных для высвобождения, но и само по себе может способствовать появлению этой высокой конкуренции.

Предисловие

Работая над улучшением и использованием cgroup v2, я успел поговорить со многими инженерами об их отношении к управлению памяти, особенно о поведении приложения под нагрузкой и об эвристическом алгоритме операционной системы, используемым «под капотом» для управления памятью.

Повторяющейся темой этих обсуждений стал swap. Тема swap активно оспаривается и плохо понимается даже теми, кто проработал с Linux долгие годы. Многие воспринимают его как нечто бесполезное или очень вредное — мол, это пережиток прошлого, когда памяти было мало и диски являлись необходимым злом, предоставляющим столь нужное пространство для подкачки. И до сих пор, все последние годы, я достаточно часто наблюдаю споры вокруг этого утверждения: немало дискуссий провёл и я сам с коллегами, друзьями, собратьями по индустрии, помогая им понять, почему swap — это по-прежнему полезная концепция на современных компьютерах, имеющих гораздо больше физической памяти, чем в былые времена.

Широкое недопонимание существует и насчёт предназначения swap’а: многие люди видят в нём лишь «медленную дополнительную память» для использования в критических ситуациях, но не понимают его вклад в адекватное функционирование операционной системы в целом при нормальной нагрузке.

Многие из нас слышали такие распространённые фразы о памяти: «Linux использует слишком много памяти», «swap должен быть вдвое больше размера физической памяти» и т.п. Эти заблуждения легко развеять и их обсуждения стали более точными в последние годы, однако миф о «бесполезном» swap гораздо больше завязан на эвристику и таинство, которые не поддаются объяснению с простой аналогией, — для его обсуждения требуется более глубокое понимание управления памятью.

Эта публикация в основном нацелена на тех, кто администрирует Linux-системы и заинтересован в том, чтобы услышать аргументы против отсутствия/слишком малого объёма swap или работы с vm.swappiness, выставленным в 0.

Введение

Сложно говорить, почему наличие swap’а и перемещение в него страниц памяти — хорошо при нормальной работе, не разделяя понимание некоторых базовых нижележащих механизмов в управлении памятью в Linux, поэтому давайте убедимся, что говорим на одном языке.

Типы памяти

В Linux существует множество различных типов памяти, и у каждого из этих типов есть свои свойства. Понимание их особенностей — ключ к пониманию, почему swap важен.

Например, есть страницы («блоки» памяти, обычно по 4k), ответственные за хранение кода для каждого процесса, запущенного на компьютере. Есть также страницы, ответственные за кэширование данных и метаданных, относящихся к файлам, к которым обращаются эти программы для ускорения своих обращений в будущем. Они являются частью страничного кэша [page cache], и далее я буду на них ссылаться как на файловую [file] память.

Есть также страницы, которые отвечают за распределение памяти, сделанное внутри этого кода, например, когда с malloc выделяется новая память для записи в неё или когда используется флаг MAP_ANONYMOUS в mmap. Это «анонимные» страницы — они так называются, потому что ничем не «поддерживаются», — и я буду ссылаться на них как на анонимную [anon] память.

Есть и другие типы памяти: разделяемая память, slab-память, память стека ядра, буферы и иные, —, но анонимная память и файловая память известны лучше других и просты для понимания, поэтому именно они будут использоваться в примерах, которые, впрочем, равносильно применимы и к другим типам.

Память с высвобождением и без

В размышлениях о конкретном типе памяти одним из главных вопросов становится возможность её высвобождения. «Высвобождение» [reclaim] означает, что система может, без потери данных, удалить страницы этого типа из физической памяти.

Для некоторых типов страниц это сделать весьма просто. Например, в случае чистой [clean], т.е. немодифицированной, памяти страничного кэша мы просто кэшируем для лучшей производительности то, что уже есть на диске, поэтому можем сбросить страницу без необходимости в каких-либо специальных операциях.

Для некоторых типов страниц это возможно, но непросто. Например, в случае грязной [dirty], т.е. модифицированной, памяти страничного кэша мы не можем просто сбросить страницу, потому что на диске ещё нет произведённых модификаций. Поэтому необходимо или отказаться от высвобождения [reclamation], или перенести наши изменения обратно на диск перед тем, как сбрасывать эту память.

Для некоторых типов страниц это невозможно. Например, упомянутые раньше анонимные страницы могут существовать только в памяти и никаком ином резервном хранилище, поэтому их необходимо хранить здесь (т.е. в самой памяти).

О природе swap’а

Если поискать объяснения, зачем нужен swap в Linux, неизбежно находятся многочисленные обсуждения его предназначения просто как расширения физической RAM для критических случаев. Вот, например, случайный пост, который я вытащил из первых результатов в Google по запросу «what is swap»:

«По своей сути swap — это экстренная память; запасное пространство для случаев, когда система на какое-то время нуждается в большем количестве физической памяти, чем доступно в RAM. Она считается «плохой» в том смысле, что медленная и неэффективная, и если системе постоянно требуется использовать swap, очевидно, ей не хватает памяти. […] Если у вас достаточно RAM для удовлетворения всех потребностей и вы не ожидаете её превышения, вы можете прекрасно работать и без swap-пространства».

Поясню, что я вовсе не обвиняю автора этого комментария за содержимое его поста — это «общеизвестный факт», признаваемый многими системными администраторами Linux и являющийся, пожалуй, одним из наиболее вероятных ответов на вопрос о swap’е. К сожалению, это вдобавок и неправильное представление о предназначении и использовании swap’а, особенно на современных системах.

Как я уже писал выше, высвобождение анонимных страниц «невозможно», поскольку анонимные страницы по своей природе не имеют резервного хранилища, к которому можно обратиться при удалении данных из памяти, — таким образом, их высвобождение приведёт к полной утере данных из соответствующих страниц. Однако… что будет, если мы смогли бы создать такое хранилище для этих страниц?

Вот именно для этого и существует swap. Swap — область хранения для этих, кажущихся «невысвобождаемыми» [unreclaimable], страниц, позволяющая отправлять их на устройство хранения по запросу. Это означает, что их можно начинать считать такими же доступными для высвобождения, как и их более простые в этом смысле друзья (вроде чистых файловых страниц), что позволяет эффективнее использовать свободную физическую память.

Swap — это преимущественно механизм для равного высвобождения, а не для срочной «дополнительной памяти». Не swap замедляет работу вашего приложения — замедление происходит из-за начала совокупной конкуренции за память.

Итак, в каких же ситуациях это «равное высвобождение» будет оправданно выбирать высвобождение анонимных страниц? Вот абстрактные примеры некоторых не самых редких сценариев:

Во время инициализации долго выполняющаяся программа может выделить и использовать многие страницы. Эти же страницы могут использоваться в процессе завершения работы/очистки, но не требуются после «старта» (в понимании самого приложения) программы. Довольно распространённое явление для демонов, использующих крупные зависимости для инициализации.
Во время нормальной работы программы мы можем выделить память, которая затем редко используется. Для общей же производительности системы может оказаться более разумным использовать память для чего-то более важного, чем выполнять значительный отказ страницы с выгрузкой данных этой страницы на диск.

Что происходит с использованием swap и без него

Давайте посмотрим на типовые ситуации и к чему они приводят при наличии и отсутствии swap. О метриках «конкуренции за память» я рассказываю в докладе про cgroup v2.

Без конкуренции или с малой конкуренцией за память

При наличии swap: мы можем положить в swap анонимную память, которая редко используется и нужна только в небольшой части жизненного цикла процесса. Это позволяет использовать данную память для улучшения коэффициента попаданий в кэш и других оптимизаций.
Без swap: не можем складывать в swap редко используемую анонимную память, поскольку она вынуждена храниться только в памяти. Не факт, что это сразу приведёт к проблеме, однако в некоторых рабочих нагрузках производительность может упасть из-за устаревших анонимных страниц, забирающих место у более важных задач.

С умеренной или высокой конкуренцией за память

При наличии swap: у всех типов памяти одинаковая вероятность высвобождения. Это означает большую вероятность успешного высвобождения страниц — мы можем высвобождать страницы, которые не будут быстро снова приводить к отказу (к пробуксовке [thrashing]).
Без swap: анонимные страницы ограничены памятью, т.к. не имеют альтернатив для хранения. Вероятность успешного долгосрочного высвобождения страниц ниже, поскольку оно доступно только для некоторых типов памяти. Риск пробуксовки страниц выше. Случайный читатель может подумать, что так всё равно будет лучше, поскольку не случится нагрузки на ввод/вывод диска, но это не так: мы попросту переносим disk I/O из-за swapping’а на сброс горячего страничного кэша и сегментов кода, которые нам скоро понадобятся.

При временных всплесках в потреблении памяти

При наличии swap: устойчивость к временным всплескам выше, однако в случае резкой нехватки памяти время между пробуксовкой и работой OOM killer может вырасти. Нам лучше видны причины нагрузки на память и мы можем более рационально повлиять на них, можем осуществить контролируемое вмешательство.
Без swap: OOM killer вызывается быстрее, поскольку анонимные страницы ограничены памятью и не могут быть высвобождены. Мы скорее столкнёмся с пробуксовкой, однако время между ней и OOMing’ом сократится. Будет лучше или хуже — зависит от конкретного приложения. Например, основанное на очередях приложение может захотеть потребовать такого быстрого перехода от пробуксовки к OOMing’у. Тем не менее, всё равно уже слишком поздно для полезных действий — OOM killer вызывается только в случаях резкой нехватки памяти. Вместо того, чтобы полагаться на такое поведение, в первую очередь лучше позаботиться о более оппортунистическом подходе (т.е. направленном на следование своим интересам — прим. перев.) к убиванию процессов при достижении состояния конкуренции за память.

Окей, я хочу системный swap, но как его настроить для конкретных приложений?

Вы же не думали, что в этой статье не будет упоминаний использования cgroup v2?

Очевидно, что общему эвристическому алгоритму тяжело не ошибаться всё время, поэтому важно иметь возможность дать необходимые инструкции ядру. Исторически единственной настройкой, которую можно было применить на системном уровне, являлась vm.swappiness. У неё две проблемы: vm.swappiness крайне сложно разумно применять, потому что она является лишь маленькой частью гораздо большей эвристической системы, и она применима лишь ко всей системе, но не к ограниченному набору процессов.

Можно также использовать mlock для фиксации страниц в памяти, но такой подход требует либо модификации кода программы и забав с LD_PRELOAD, либо ужасных танцев с отладчиком во время исполнения приложения. В языках, основанных на виртуальных машинах, всё это тоже не так-то хорошо работает, поскольку у вас обычно нет возможности контролировать распределение памяти и приходится делать mlockall, у которого нет точных настроек для тех страниц, что действительно важны.

В cgroup v2 есть определяемая на каждую cgroup настройка memory.low, которая позволяет сказать ядру отдавать предпочтение другим приложениям для высвобождения до достижения определённого порога используемой памяти. Нет гарантий, что ядро предотвратит swapping частей приложения, однако оно будет предпочитать высвобождение для других приложений в случае конкуренции за память. В нормальных условиях логика swap’а в ядре в целом достаточно хороша, так что разрешение оппортунистически выносить в swap страницы в общем случае повышает системную производительность. Пробуксовка swap’а в условиях сильной конкуренции за память не идеальна, но это скорее просто особенность ситуации нехватки памяти, чем проблема swapper’а. В ситуациях, когда давление на память начинает расти, вы обычно хотите быстрого завершения работы некритических процессов посредством их «самоубийства».

И в этом вопросе нельзя просто положиться на OOM killer. Потому что OOM killer вызывается только в самых критичных ситуациях, когда система уже оказалась в значительно нездоровом состоянии и, возможно, находилась в нём некоторое время. Необходимо самостоятельно и оппортунистически разрешить ситуацию ещё до того, как задумываться об OOM killer’е.

Тем не менее, выявить давление на память достаточно трудно с помощью традиционных счётчиков памяти в Linux. Нам доступно нечто, что каким-то образом относится к проблеме, однако скорее по касательной: потребление памяти, количество операций сканирования страниц и т.п. — и по одним этим метрикам очень трудно отличить эффективную конфигурацию памяти от той, что приводит к конкуренции за память. У нас есть группа в Facebook, возглавляемая Johannes’ом и работающая над новыми метриками, упрощающими демонстрацию давления на память, — это должно помочь нам в будущем. Больше информации об этом можно получить из моего доклада про cgroup v2, где я начинаю подробнее рассказывать об одной из метрик.

Тюнинг

Сколько же swap’а мне тогда нужно?

В общем случае минимальное количество swap-пространства, требуемого для оптимального управления памятью, зависит от количества анонимных страниц, которые привязаны к пространству памяти и к которым редко обращается приложение, а также от стоимости высвобождения этих анонимных страниц. Последнее — это в большей степени вопрос о том, какие страницы больше не должны удаляться, чтобы уступить место тем анонимным страницам, к которым редко обращаются.

Если у вас достаточно дискового пространства и свежее (4.0+) ядро, большее количество swap’а почти всегда лучше, чем меньшее. В более старых ядрах kswapd — один из процессов ядра, что отвечает за управление swap’ом, — исторически слишком усердствовал в перемещении памяти в swap, делая это тем активнее, чем больше swap’а было доступно. В последнее время поведение swapping’а при наличии большого swap-пространства значительно улучшили. Так что, если вы работаете с ядром 4.0+, большой swap не приведёт к чрезмерному swapping’у. В общем, на современных ядрах нормально иметь swap размером в несколько гигабайт, если такое пространство у вас есть.

Если же дисковое пространство ограничено, ответ в действительности зависит от компромисса, на который вы готовы пойти, и особенностей окружения. В идеале у вас должно быть достаточно swap’а, чтобы система оптимально функционировала при нормальной и пиковой (по памяти) нагрузке. Рекомендую настроить несколько тестовых систем с 2–3 Гб swap’а или более и понаблюдать, что происходит на протяжении недели или около того в разных условиях нагрузки (на память). Если на протяжении этой недели не случалось ситуаций резкой нехватки памяти, что означает недостаточную пользу такого теста, всё закончится занятостью swap’а небольшим количеством мегабайт. В таком случае, пожалуй, разумно будет иметь swap хотя бы такого размера с добавлением небольшого буфера для меняющихся нагрузок. Также atop в режиме логирования в столбце SWAPSZ может показать, страницы каких приложений попадают в swap. Если вы ещё не используете эту утилиту на своих серверах для логирования истории состояний сервера — возможно, в эксперимент стоит добавить её настройку на тестовых машинах (в режиме логирования). Заодно вы узнаете, когда приложение начало перемещать страницы в swap, что можно привязать к событиям из логов или другим важным показателям.

Ещё стоит задуматься о типе носителя для swap’а. Чтение из swap имеет тенденцию быть очень случайным, поскольку нельзя уверенно предсказать, у каких страниц будет отказ и когда. Для SSD это не имеет особого значения, а вот для вращающихся дисков случайный ввод/вывод может оказаться очень дорогим, поскольку требует физических движений. С другой стороны, отказы у файловых страниц обычно менее случайны, поскольку файлы, относящиеся к работе одного запущенного приложения, обычно менее фрагментированы. Это может означать, что для вращающегося диска вы можете захотеть сместиться в сторону высвобождения файловых страниц вместо swapping’а анонимных страниц, но, опять же, необходимо протестировать и оценить, как будет соблюдаться баланс для вашей рабочей нагрузки.

Для пользователей ноутбуков/десктопов, желающих использовать swap для перехода в спящий режим [hibernate], этот факт также необходимо учитывать, поскольку swap-файл тогда должен как минимум соответствовать размеру физической оперативной памяти.

Какой должна быть настройка swappiness?

Во-первых, важно понимать, что делает vm.swappiness. Это системная настройка (sysctl), смещающая высвобождение памяти в сторону анонимных страниц или файловых страниц. Для реализации используются два разных атрибута: file_prio (стремление высвобождать файловые страницы) и anon_prio (стремление высвобождать анонимные страницы). vm.swappiness обыгрывает эти атрибуты, становясь значением по умолчанию для anon_prio и вычитаясь из стандартного значения 200 в file_prio, то есть vm.swappiness = 50 равносильно значению anon_prio в 50 и file_prio в 150 (точные числа не играют роли — важен их вес относительно друг друга).

Это означает, что vm.swappiness — это по существу просто соотношение дорогой анонимной памяти, которую можно высвобождать и приводить к отказам, в сравнении с файловой памятью для вашего железа и рабочей нагрузки. Чем ниже значение, тем активнее вы сообщаете ядру, что редкие обращения к анонимным страницам дороги для перемещения в swap и обратно на вашем оборудовании. Чем выше это значение, тем вы больше говорите ядру, что стоимость swapping’а анонимных и файловых страниц одинакова на вашем оборудовании. Подсистема управления памятью будет по-прежнему пытаться решить, помещать в swap файловые или анонимные страницы, руководствуясь тем, насколько «горяча» память, однако swappiness склоняет подсчёт стоимости в пользу большего swapping’а или большего пропуска кэшей файловой системы, когда доступны оба способа. На SSD-дисках эти подходы практически равны по стоимости, поэтому установка vm.swappiness = 100 (т.е. полное равенство) может работать хорошо. На вращающихся дисках swapping может быть значительно дороже, т.к. в целом он требует случайного чтения, поэтому вы скорее всего захотите сместиться в сторону меньшего значения.

Реальность же в том, что большинство людей не имеют представления о том, чего требует их железо, поэтому настроить это значение, основываясь лишь на инстинкте, затруднительно — это вопрос, требующий личного тестирования с разными значениями. Можно также заняться анализом состава памяти вашей системы, основных приложений и их поведения в условиях небольшого высвобождения памяти.

Говоря о vm.swappiness, необходимо учитывать исключительно важное изменение недавнего времени, сделанное Satoru Moriya в vmscan в 2012 году: оно в значительной мере меняет поведение vm.swappiness = 0.

Этот патч по существу говорит, что при установке vm.swappiness = 0 мы донельзя настроены против сканирования (и высвобождения) любых анонимных страниц, пока не настало состояние высокой конкуренции за память. Как отмечалось ранее, в общем случае вы не захотите такого поведения, поскольку оно исключает равенство приоритетов высвобождения до моментов экстремального давления на память, что само по себе в действительности может и привести к этому экстремальному давлению. Поэтому vm.swappiness = 1 — минимальное значение, которое стоит выбирать, если вы не хотите активировать такое особое поведение для сканирования анонимных страниц, реализованное в патче.

Значение ядра по умолчанию — vm.swappiness = 60. В общем случае это неплохое значение для большинства рабочих нагрузок, но трудно иметь общее стандартное значение, которое подошло бы всем. Поэтому ценным дополнением к тюнингу, упомянутому в разделе «Сколько же swap’а мне тогда нужно?», станет тестирование систем с различными значениями vm.swappiness и наблюдение за метриками приложения и системы под большой нагрузкой (на память). В скором будущем, когда мы получим достойную реализацию определения refault в ядре (см. также «refault distance-based file cache sizing» — прим. перев.), вы сможете определять значение достаточно независимо от рабочей нагрузки, глядя на метрики «page refaulting» в cgroup v2.

Заключение

Swap — полезный инструмент для возможности равного высвобождения страниц памяти, но его назначение зачастую неправильно понимается, что приводит к его негативному восприятию в индустрии. Если вы будете использовать swap в том ключе, для которого он создан, то есть как средство увеличения равенства высвобождения, то обнаружите его полезной утилитой, а не какой-то проблемой.
Отключение swap не спасает от проблемы дискового ввода/вывода при конкуренции за память — дисковый I/O просто перемещается с анонимных страниц на файловые. Это не только может быть менее эффективным, поскольку остаётся меньший пул страниц, доступных для высвобождения, но и само по себе может способствовать появлению этой высокой конкуренции.
Swap может замедлить вызов OOM kill системой, поскольку является другим, более медленным, источником памяти для пробуксовки в ситуациях нехватки памяти. Но OOM killer используется ядром как последняя надежда, когда все другие возможности полностью исчерпаны. Сами эти возможности зависят от конкретной системы:
- Вы можете изменить рабочую нагрузку на систему в соответствии со своими потребностями, в зависимости от локального (cgroup) или глобального давления на память. Это поможет избежать таких ситуаций, однако на протяжении всей истории Unix исчерпывающих метрик для измерения давления на память было недостаточно. Надежды возлагаются на скорое исправление ситуации с появлением refault detection.
- Вы можете переместить высвобождение (и, таким образом, swapping) от определённых процессов (per-cgroup) с помощью memory.low, что обеспечит его доступность для критически важных демонов без полного отключения swap.