《Linux内核精髓：精通Linux内核必会的75个绝技》一HACK #15 ramzswap

HACK #15　ramzswap

本节介绍将一部分内存作为交换设备使用的ramzswap。
ramzswap是将一部分内存空间作为交换设备使用的基于RAM的块设备。对要换出（swapout）的页面进行压缩后，不是写入磁盘，而是写入内存。可以使用的内存仅为完成压缩的部分。压缩处理使用的是LZO注1。
ramzswap是从Linux 2.6.33合并到Staging驱动程序的。Staging驱动程序是指尚未达到某种程度的质量的试验性驱动程序。
通过使用ramzswap，运转速度可以比换出到一般磁盘设备时更高。这是因为内存的I/O较快，且经过压缩后I/O变小。只有用于嵌入式系统的内存等的机器中，可以避免内存不足时由于内存回收处理导致性能极端下降，或抑制OOM Killer的运行。
ramzswap的项目在如下环境中，即使减去压缩/解压缩的CPU系统开销，也可以提高性能。
上网本或瘦客户机（thin client）这种配备了内存容量小但CPU性能较高的的PC。
在组装机器上，不想在外部闪存存储器（flash memory storage）中生成交换区时。
使用ramzswap时，可以使用已经整合到上游内核的，也可以从论坛中下载并使用。
整合到上游内核的ramzswap实际安装了论坛的部分成果。本节将针对上游内核和论坛版内核进行介绍。Linux内核以2.6.35为例，论坛数据包以版本0.6.2为例。操作系统使用Fedora 12。
使用论坛版ramzswap
使用论坛版的数据包时，首先需要下载数据包进行编译。由于要对内核模块进行编译，因此必须事先安装kernel-devel。

$ wget http://compcache.googlecode.com/files/compcache-0.6.2.tar.gz
$ tar zxvf compcache-0.6.2.tar.gz
$ cd compcache-0.6.2/
$ make

make命令结束后，将生成内核模块ramzswap.ko和ramzswap设备的控制工具—rzscontrol命令和rzscontrol命令的manual文件。
小贴士：ramswap版本0.6.2的运行已经在Linux 2.6.32中确认。使用RHEL6编译时，需要在ramzswap_drv.c的最前面加上#include 。
rzscontrol命令创建的路径为compcache-0.6.2/sub-projects/rzscontrol/rzscontrol，manual文件创建的路径为compcache-0.6.2/sub-projects/rzscontrol/man/rzscontrol.1。ramzswap版本0.6.2不会通过make命令自动安装。可以直接使用这些文件。
ramzswap的使用方法有两种。一种是在内存中创建虚拟交换区磁盘的ramzswap disk，另一种是在使用内存的同时使用交换文件或交换块设备的backing swap。一般系统与使用ramzswap disk、backing swap系统的内存和交换区的关系如图2-2所示。

图2-2　一般系统与使用ramzswap disk、backing swap的系统的内存和交换区的关系
首先介绍第一个ramzswap disk。
ramzswap disk的使用方法
使用ramzswap disk，首先需要将用来压缩/解压缩数据的LZO模块安装到内核中。

# modprobe lzo_compress
#modprobe lzo_decompress

注意事项：在部分发布版（Fedora14等）中，把lzo_decompress模块静态安装到内核中，有时会因为没有模块而导致modprobe失败。

# modprobe lzo_decompress
FATAL:Module lzo_decompress not found.

没有模块，也没有静态安装到内核时，对ramzswap.ko执行insmod命令，就会出现如下错误。

# insmod ramzswap.ko
insmod: error inserting 'ramzswap.ko': -1 Unknown symbol in module

自己构建内核时，请将CONFIG_LZO_DECOMPRESS设置为y或m。把像Fedora 14这样lzo_decompress静态安装到内核的情况下，ramzswap.ko的insmod会成功。
接下来安装ramzswap模块。这里将设置num_devices=4，以生成4个设备文件。

# insmod ./ramzswap.ko num_devices=4
# ls /dev/ramzswap*
/dev/ramzswap0  /dev/ramzswap1  /dev/ramzswap2  /dev/ramzswap3
# lsmod
Module                  Size  Used by
ramzswap               21108  0
lzo_decompress          2768  1 ramzswap
lzo_compress            2480  1 ramzswap
......

将ramzswap模块安装到内核的同时，还可以设置各参数。下面是设置作为ramzswap disk使用的内存大小的例子。

insmod ramzswap.ko num_devices=4 disksize_kb=20480

只有/dev/ramzswap0的初始化（后面介绍--init选项）和disksize_kb参数设置是自动进行的。/dev/ramzswap1~3的初始化和disksize_kb参数需要另行设置。
后面也可以在rzscontol命令中设置相同参数。但是num_devices只能在安装模块时进行设置。表2-9所示为可设置的参数列表。其内容将在后面详细说明。
表2-9　ramzswap的模块参数与rzscontrol命令的选项

安装ramzswap模块后，为了作为交换区使用对ramzswap设备进行初始化，并启用交换功能。

# sub-projects/rzscontrol/rzscontrol /dev/ramzswap0 - -init
# swapon /dev/ramzswap0

这时也可以使用-p选项指定优先级，与已有的交换设备同时使用。这个值较大表示优先级较高，因此应当指定比一般的交换设备更大的值。

# swapon -p 100 /dev/ramzswap0
# swapon -s
Filename                               Type            Size         Used   Priority
/dev/ramzswap0                        partition      511992       0      100
/dev/sda2                             partition      2047992      0      -1

这时，ramzswap设备的交换功能就已启用。使用一定数量的内存后，就会发生换出。
可以使用rzscontrol命令的--stats选项来确认ramzswap的统计信息和状态。

# sub-projects/rzscontrol/rzscontrol /dev/ramzswap --stats

表2-10为此时的输出结果和各项目的说明。
表2-10　执行ramzswap disk命令时rzscontrol --stats的输出结果

由于ramzswap不会立刻释放保留的内存，因此OrigDataSize和free命令的数值不一定一致。
rzscontrol命令也可以对各个ramzswap设备进行设置。使用--disksize_kb选项可以设置ramzswap设备的大小（单位为千字节）。执行下列命令就可以设置ramzswap设备的容量。

# sub-projects/rzscontrol/rzscontrol /dev/ramzswap0 --init --disksize_kb=10240

要将ramzswap设备排除在交换对象之外，可以使用swapoff命令。

# swapoff /dev/ramzswap0

要关闭ramzswap，需要在swapoff之后使用rzscontrol命令的--reset选项释放残留在ramzswap磁盘中的内存。最后将模块从内核中移除。

# sub-projects/rzscontrol/rzscontrol /dev/ramzswap0 --reset
# rmmod ramzswap

backing swap的使用方法
ramzswap还有另一种使用方法，就是将部分内存作为ramzswap disk使用，再将交换文件或交换块设备作为backing swap使用。
ramswap为内存和磁盘的两层。如果内存稍有不足，则仅使用内存的ramzswap disk进行处理，但如果缺少更多内存，则页面的内容存放到backing swap中。
下面介绍backing swap的使用方法。
首先与ramzswap disk同样进行设置。

# modprobe lzo_compress
# modprobe lzo_decompress
# insmod ./ramzswap.ko num_devices=4

然后使用rzscontrol命令指定backing swap。

# sub-projects/rzscontrol/rzscontrol /dev/ramzswap0 --init --backing_swap=/dev/sda2 --memlimit_kb=10240

使用--backing_swap选项指定交换文件或交换块设备。这里指定的是块设备/dev/sda2。--memlimit_kb选项指定的是作为ramzswap disk使用的内存大小。使用内存的方式基本与ramzswap disk相同。没有指定时设置为所有内存大小的15%。这里设置为10240KB。
最后启用已生成设备的交换功能。

# swapon /dev/ramzswap0

内存使用量一旦增加，首先压缩的页面会写入ramzswap disk的区域中。这时未压缩到50%以下的页面则写入backing swap中，而非ramzswap disk中。另外，超过--memlimit_kb选项指定的内存大小时也会写入backing swap中。
表2-11所示为执行rzscontrol --stats的结果。说明中仅记载与ramzswap disk的不同之处。
表2-11　执行ramzswap --stats的结果

使用上游内核的ramzswap
要使用安装在上游内核的ramzswap，需要首先启用内核config（CONFIG_RAMZSWAP=y），编译内核。使用make menuconfig命令启用下列项目。

Device Drivers
-> Staging drivers
 -> Compressed in-memory swap device (ramzswap)

启动编译后的内核。
使用方法
使用方法与论坛版相同，但需要另外编译用于上游内核的rzscontrol命令。由于上游内核驱动程序内没有安装backing swap，因此必须修改rzscontrol命令的代码。
上游内核中还没有安装backing swap和memlimit，因此将这部分代码从这个补丁中删除。下面使用这个补丁来编译rzscontrol命令。

# wget http://compcache.googlecode.com/files/compcache-0.6.2.tar.gz
# tar zxvf compcache-0.6.2.tar.gz
# cd compcache-0.6.2/sub-projects/rzscontrol
# patch -p1 < ramzswap-for-2.6.35.patch

按照下列方式指定上游内核的include文件进行编译。

# gcc -g -Wall -D_GNU_SOURCE rzscontrol.c -o rzscontrol -I /linux-2.6.35/drivers/staging/ramzswap/ -I../include

使用方法与论坛版相同。
小结
本节介绍了ramzswap。是否能够通过压缩页面数据受益，是与内存数据的内容相关的。但是即使多少有一些压缩/解压缩的系统开销，也比内存耗尽好得多。这在没有交换区的无磁盘（diskless）组装机器中尤其有效。
参考文献
compcache Compressed Caching for Linux
http://code.google.com/p/compcache/
LZO1X Compressor from MiniLZO
http://www.oberhumer.com/opensource/lzo/
Compcache: in-memory compressed swapping
http://lwn.net/Articles/334649/
—Naohiro Ooiwa
HACK #16　OOM Killer的运行与结构
本节介绍OOM Killer的运行与结构。
Linux中的Out Of Memory（OOM） Killer功能作为确保内存的最终手段，可以在耗尽系统内存或交换区后，向进程发送信号，强制终止该进程。
这个功能即使在无法释放内存的情况下，也能够重复进行确保内存的处理过程，防止系统停滞。还可以找出过度消耗内存的进程。本节将介绍2.6内核的OOM Killer。
确认运行、日志
进行系统验证或负载试验时，有时会出现正在运行中的进程终止或者SSH连接突然断开、尝试重新登录也无法连接的情况。
这时需要查看日志。有时会输出如下内核信息。

Pid: 4629, comm: stress Not tainted 2.6.26 #3

Call Trace:
 [<ffffffff80265a2c>] oom_kill_process+0x57/0x1dc
 [<ffffffff80238855>] __capable+0x9/0x1c
 [<ffffffff80265d39>] badness+0x16a/0x1a9
 [<ffffffff80265f59>] out_of_memory+0x1e1/0x24b
 [<ffffffff80268967>] __alloc_pages_internal+0x320/0x3c2
 [<ffffffff802726cb>] handle_mm_fault+0x225/0x708
 [<ffffffff8047514b>] do_page_fault+0x3b4/0x76f
 [<ffffffff80473259>] error_exit+0x0/0x51

Node 0 DMA per-cpu:
CPU    0: hi:    0, btch:   1 usd:   0
CPU    1: hi:    0, btch:   1 usd:   0
...
Active:250206 inactive:251609 dirty:0 writeback:0 unstable:0
 free:3397 slab:2889 mapped:1 pagetables:2544 bounce:0
Node 0 DMA free:8024kB min:20kB low:24kB high:28kB active:8kB inactive:180kB present:7448kB pa
ges_scanned:308 all_unreclaimable? yes
lowmem_reserve[]: 0 2003 2003 2003
...
Node 0 DMA: 6*4kB 4*8kB 2*16kB 2*32kB 5*64kB 1*128kB 3*256kB 1*512kB 2*1024kB 2*2048kB 0*4096k
B = 8024kB
Node 0 DMA32: 1*4kB 13*8kB 1*16kB 6*32kB 2*64kB 2*128kB 1*256kB 1*512kB 0*1024kB 0*2048kB 1*40
96kB = 5564kB
29 total pagecache pages
Swap cache: add 1630129, delete 1630129, find 2279/2761
Free swap  = 0kB
Total swap = 2048248kB
Out of memory: kill process 2875 (sshd) score 94830592 or a child
Killed process 3082 (sshd)

最后出现了Out of memory（内存不足）。这就表示OOM Killer已经运行。无法重新连接的情况就是因为sshd被OOM Killer终止。如果不重新启动sshd就无法登录。
OOM Killer通过终止进程来确保空闲内存，接下来将介绍如何选定这个进程。
进程的选定方法
OOM Killer在内存耗尽时，会查看所有进程，并分别为每个进程计算分数。将信号发送给分数最高的进程。
计算分数的方法
在OOM Killer计算分数时要考虑很多方面。首先要针对每个进程确认下列1～9个事项再计算分数。
1.首先，计算分数时是以进程的虚拟内存大小为基准的。虚拟内存大小可以使用ps命令的VSZ或/proc//status的VmSize注2来确认。对于正在消耗虚拟内存的进程，其最初的得分较高。单位是将1KB作为1个得分。消耗1GB内存的进程，得分约为1 000 000。
2.如果进程正在执行swapoff系统调用，则得分设置为最大值（unsigned long的最大值）。这是因为禁用swap的行为与消除内存不足是相反的，会立刻将其作为OOM Killer的对象进程。
3.如果是母进程，则将所有子进程内存大小的一半作为分数。

1. 根据进程的CPU使用时间和进程启动时间调整得分。这是因为在这里认为越是长时间运行或从事越多工作的进程越重要，需保持得分较低。
   首先，用得分除以CPU使用时间（以10秒为单位）的平方根。如果CPU使用时间为90秒，由于以10秒为单位，因此就是用得分除以9的平方根“3”。另外，根据进程启动开始的时间也可以调整得分。用得分除以启动时间（以1000秒为单位）的平方根的平方根。如果是持续运行16 000秒的进程，则用得分除以16的平方根“4”的平方根“2”。越是长时间运行的进程就越重要。

小贴士：虽然源代码的备注中写有以10秒为单位、以1000秒为单位，但是实际上在位运算中是以8和1024为单位来计算。
5.对于通过nice命令等将优先级设置得较低的进程，要将得分翻倍。nice-n中设置为1~19的命令的得分翻倍。
6.特权进程普遍较为重要，因此将其得分设置为1/4。
7.通过capset(3)等设置了功能（capability）CAP_SYS_RAWIO注3的进程，其得分为1/4。将直接对硬件进行操作的进程判断为重要进程。
8.关于Cgroup，如果进程只允许与促使OOM Killer运行的进程所允许的内存节点完全不同的内存节点，则其得分为1/8。
9.最后通过proc文件系统oom_adj的值调整得分。
依据以上规则，为所有进程打分，向得分最高的进程发送信号SIGKILL（到Linux 2.6.10为止，在设置了功能CAP_SYS_RAWIO的情况下，发送SIGTERM，在没有设置的情况下，发送SIGKILL）。
各进程的得分可以使用/proc//oom_score来确认。
但是init（PID为1的）进程不能成为OOM Killer的对象。当成为对象的进程包含子进程时，先向其子进程发送信号。
向成为对象的进程发送信号后，对于引用系统的全线程，即使线程组（TGID）不同，如果存在与对象进程共享相同内存空间的进程，则也向这些进程发送信号。
关于OOM Killer的proc文件系统
下面开始介绍与OOM Killer相关的proc文件系统。
/proc//oom_adj
为/proc//oom_adj设置值就可以调整得分。调整值的范围为–16~15。正的值容易被OOM Killer选定。负值可能性较低。例如，当指定3时，得分就变为23倍；当指定–5时，得分就变为1/25。
“–17”是一个特殊的值。如果设置为–17，就会禁止OOM Killer发出的信号（从Linux 2.6.12开始支持设置–17）。
在OOM Killer运行的情况下，为了实现远程登录而想要将sshd排除在对象外时，可以执行下列命令。

# cat /proc/'cat /var/run/sshd.pid'/oom_score
15
# echo -17 >  /proc/'cat /var/run/sshd.pid'/oom_adj
# tail /proc/'cat /var/run/sshd.pid'/oom_*
==> /proc/2278/oom_adj <==
-17
==> /proc/2278/oom_score <==
0                               /*得分变成0*/

从Linux 2.6.18开始可以使用/proc//oom_adj。内容记载在Documentation /filesystems/proc.txt中。
/proc/sys/vm/panic_on_oom
将/proc/sys/vm/panic_on_oom设置为1时，在OOM Killer运行时可以不发送进程信号，而是使内核产生重大故障。

# echo 1 > /proc/sys/vm/panic_on_oom
/proc/sys/vm/oom_kill_allocating_task

从Linux 2.6.24开始proc文件系统就有oom_kill_allocating_task。如果对此设置除0以外的值，则促使OOM Killer运行的进程自身将接收信号。此处省略对所有进程的得分计算过程。

# echo 1 > /proc/sys/vm/oom_kill_allocating_task

这样就不需要参照所有进程，但是也不会考虑进程的优先级和root权限等，只发送信号。
/proc/sys/vm/oom_dump_tasks
从Linux 2.6.25开始，将oom_dump_tasks设置为除0以外的值时，在OOM Killer运行时的输出中会增加进程的列表信息。
下面为设置示例。

# echo 1 > /proc/sys/vm/oom_dump_tasks

列表信息显示如下，可以使用dmesg或syslog来确认。

[ pid ]   uid  tgid total_vm      rss cpu oom_adj name
[    1]     0     1     2580        1   0       0 init
[  500]     0   500     3231        0   1     -17 udevd
[ 2736]     0  2736     1470        1   0       0 syslogd
[ 2741]     0  2741      944        0   0       0 klogd
[ 2765]    81  2765     5307        0   0       0 dbus-daemon
[ 2861]     0  2861      944        0   0       0 acpid
...
[ 3320]     0  3320   525842   241215   1       0 stress
/proc/<PID>/oom_score_adj

从Linux 2.6.36开始都安装了/proc//oom_score_adj，此后将替换为/proc/ /oom_adj。详细内容请参考Documentation/feature-removal-schedules.txt。即使当前是对/proc//oom_adj进行的设置，在内核内部进行变换后的值也是针对/proc//oom_score_adj设置的。
/proc//oom_score_adj可以设置–1000~1000之间的值。设置为–1000时，该进程就被排除在OOM Killer强制终止的对象外。
在内核2.6.36以后的版本中写入oom_adj，只会输出一次如下的信息。

# dmesg
.....
udevd (60): /proc/60/oom_adj is deprecated, please use /proc/60/oom_score_adj instead.
.....

RHEL5的特征
在RHEL5中运行OOM Killer时要比在上游内核中更加慎重。OOM Killer会计算调用的次数，仅在一定时间段内超出调用一定次数的情况下运行。
1.OOM Killer从上次调出到下一次调出之间超过5秒时，调用次数重新开始计算。这是为了避免仅因为产生突发性的内存负载就终止进程。
2.在计数变成0后的1秒以内调出时，不计入调用的次数。
3.OOM Killer的调用次数不足10次时，实际不会运行。OOM Killer调用10次时才开始认为内存不足。
4.最后OOM Killer运行不到5秒的话，OOM Killer不会再次运行。因此运行频率最高也有5秒一次。这是为了防止不必要地连续终止多个进程。也有等待接收到OOM Killer发出信号的进程终止（释放内存）的意思。

1. OOM Killer一旦运行，调用的次数就重新回到0。
   也就是说，只有在OOM Killer在5秒以内调出的状态连续出现10次以上时才会运行。

这些限制原本是到Linux 2.6.10为止都有的。因此在基于Linux 2.6.9的RHEL4中也需要实施这些限制。当前的上游内核中已经取消了这些限制。
RHEL4的运行
查看OOM Killer在RHEL4（Linux 2.6.9）中的运行情况。在下例中，是内存、交换区都为2GB的环境下，使用负载测试工具stress刻意消耗内存。
stress是给内存、CPU、磁盘I/O施加负载的工具。既可以为其中一项增加负载，也可以同时为这三项中的几项增加负载。stress在运行中如果接收到信号，就会输出信息并终止。

# wget -t0 -c http://weather.ou.edu/~apw/projects/stress/stress-1.0.0.tar.gz
# tar zxvf stress-1.0.0.tar.gz
# cd stress-1.0.0
# ./configure ; make ; make install
# stress --vm 2 --vm-bytes 2G --vm-keep    /* 两个进程分别消耗2GB内存*/
stress: info: [17327] dispatching hogs: 0 cpu, 0 io, 2 vm, 0 hdd
stress: FAIL: [17327](416) <-- worker 17328 got signal 15       /* 接收SIGTERM信号*/
stress: WARN: [17327](418) now reaping child worker processes
stress: FAIL: [17327](452) failed run completed in 70s
此时的控制台画面显示如下。
oom-killer: gfp_mask=0xd0
Mem-info:
...

Swap cache: add 524452, delete 524200, find 60/102, race 0+0
Free swap:            0kB                    /* 交换区剩余为0 */
524224 pages of RAM                          /* 1页4KB，因此内存大小为2GB */
10227 reserved pages                         /* 在内核内部预约的内存 */
19212 pages shared
253 pages swap cached
Out of Memory: Killed process 17328 (stress).   /* 根据信号终止的进程 */

在上游内核中无法禁用OOM Killer，而在RHEL4中则通过/proc/sys/vm/oom-kill可以禁用OOM Killer。

# echo 0 > /proc/sys/vm/oom-kill

或者

# /sbin/sysctl -w vm.oom-kill=0

禁用后OOM Killer就不会发送信号，但是会输出如上内存信息。
RHEL5的运行
在RHEL5（Linux 2.6.18）中对OOM Killer的运行进行确认的方法与RHEL4中相同。

# stress --vm 2 --vm-bytes 2G --vm-keep
stress: info: [11779] dispatching hogs: 0 cpu, 0 io, 2 vm, 0 hdd
stress: FAIL: [11779](416) <-- worker 11780 got signal 9         /* SIGKILL */
stress: WARN: [11779](418) now reaping child worker processes
stress: FAIL: [11779](452) failed run completed in 46s

此时的控制台画面如下所示。添加了运行OOM Killer时的回溯输出，便于调试。
Call Trace:

[<ffffffff800bf551>] out_of_memory+0x8e/0x321
 [<ffffffff8000f08c>] __alloc_pages+0x22b/0x2b4
...
 [<ffffffff800087fd>] __handle_mm_fault+0x208/0xe04
 [<ffffffff80065a6a>] do_page_fault+0x4b8/0x81d
 [<ffffffff800894ad>] default_wake_function+0x0/0xe
 [<ffffffff80039dda>] tty_ldisc_deref+0x68/0x7b
 [<ffffffff8005cde9>] error_exit+0x0/0x84

Mem-info:
...
Swap cache: add 512503, delete 512504, find 90/129, race 0+0
Free swap  = 0kB
Total swap = 2048276kB
Free swap:            0kB
524224 pages of RAM
42102 reserved pages
78 pages shared
0 pages swap cached
Out of memory: Killed process 11780 (stress).

RHEL6的运行
RHEL6.0中OOM Killer计算得分的方式基本和RHEL5中没有不同。RHEL6系不会如“RHEL5的特征”中所述慎重地运行。其运行基本与上游内核相同。
小结
本节介绍了OOM Killer的结构和各种设置。当系统运行异常时确认syslog等，如果有OOM Killer的输出，就可以得知曾出现内存不足。
参考文献
stress
http://weather.ou.edu/~apw/projects/stress/
—Naohiro Ooiwa