一文详解物理内存不足时，Linux如何保住系统不崩溃

无论是个人电脑还是服务器，物理内存的容量总是有限的——当运行的程序越来越多，物理内存被占满之后，操作系统该怎么办?直接拒绝新的内存请求?还是杀掉老进程?Linux给出的解决方案是‌内存交换机制‌：把暂时不用的内存数据写到磁盘上的交换区，腾出来物理内存给需要的进程用，需要用到这些数据的时候再换回来，这样就相当于“凭空多出来”一块虚拟内存，能支撑更多程序运行。很多开发者只知道swap分区，却不清楚内存交换到底是怎么运行的，什么时候会触发交换，交换又会对系统性能产生什么影响?搞懂内存交换的逻辑，才能更好地排查系统卡顿、OOM这类常见问题。

先理清基础：为什么需要内存交换，它解决了什么问题

内存交换不是凭空出现的，它本质是虚拟内存管理的一部分，核心解决两个问题：

第一，‌物理内存不足的扩容需求‌。程序实际用到的内存总量超过物理内存容量的时候，总不能直接让新程序无法启动，或者杀掉已有进程吧?内存交换把不常用的内存页换到磁盘，把物理内存让给急需的进程，相当于用磁盘空间扩展了内存容量，让系统能运行更多程序。

第二，‌闲置内存的高效利用‌。有些程序启动之后，大部分时间都处于挂起状态，占着物理内存却不用，把这部分数据交换到磁盘，把物理内存留给更需要的活跃程序，能提升整体内存利用率，让系统运行更流畅。

第三，‌匿名页的回收支持‌。Linux中，程序申请的堆内存、栈内存这类没有对应文件的匿名内存，如果暂时不用，没办法直接从内存中丢弃(因为没有文件存备份)，只能交换到交换区保存，需要的时候再换回来，所以内存交换是匿名页回收的基础，没有交换就没法回收闲置的匿名内存。

我们可以这么理解：物理内存就像酒店的前台大堂，只能放得下当前正在办理入住的客人，那些暂时不办事的客人，就请到门口的休息区(交换区)等着，需要的时候再叫进来，这样大堂永远有空间给新客人，不会因为人太多挤垮整个酒店，这就是内存交换的核心作用。

内存交换的核心原理：换出与换入，两步完成空间腾挪

内存交换的整个流程非常清晰，分为换出和换入两个核心过程，我们一步步拆解：

第一步：当内存不够的时候，触发换出操作

当系统需要分配新的内存页，但是物理空闲内存已经低于阈值的时候，内核的内存管理模块就会触发内存回收，把不常用的内存页换出到交换区，腾出物理内存：

筛选可以换出的页‌：不是所有内存页都能换出，内核会先筛选：

已经映射到磁盘文件的文件页，如果是干净的(没有被修改过)，直接丢弃就行，不需要写到交换区，需要的时候再从原文件读出来就行，只有脏的文件页才需要写回磁盘;

匿名内存页(堆、栈、进程私有数据)没有对应文件，必须要写到交换区才能释放物理内存;

内核态的内存、正在被使用的内存页，一般不会被换出。

给选中的页分配交换空间‌：内核会在交换分区或者交换文件里找一块空闲的空间，把要换出的内存页数据写到这块空间里。

记住每一页对应的交换空间位置，存在页表项里，把原来的物理内存地址标记为无效，然后把这块物理内存释放出来，加到空闲内存链表中，给新的内存分配用。

换出完成之后，原来的进程还以为自己的数据还在内存里，只是页表已经记录了数据现在在交换区，对进程完全透明，进程根本不知道自己的数据已经被换到磁盘上了。

第二步：当进程访问被换出的页时，触发换入操作

当进程要访问已经被换出到交换区的内存页的时候，CPU会触发一个缺页异常，内核接手处理这个异常，然后把数据从交换区读回到物理内存，这个过程就是换入：

进程访问虚拟地址，页表发现这个页已经被换出到交换区，触发缺页中断;

内核处理缺页中断，找一块空闲的物理内存(如果现在没有空闲内存，就再重复一次换出流程，先腾出一块空闲内存);

根据页表项里记录的交换位置，把数据从交换区读回到刚腾出来的物理内存;

更新页表项，把物理地址填进去，标记为有效，然后退出中断，进程继续执行，就好像什么都没发生一样。

整个换入换出过程对应用程序完全透明，程序根本感知不到数据被换出过，所以用户只会觉得“内存比物理容量大”，不会感觉到中间的交换操作，这就是虚拟内存设计的巧妙之处。

交换不是越大越好：交换对性能的影响

很多新手以为，交换越大，系统能支持的内存越多越好，其实不对，交换本质是“用磁盘空间换内存容量”，磁盘的速度比内存慢几百上千倍，所以交换会对系统性能产生非常大的影响，我们分两种情况看：

轻度交换：对性能影响很小，甚至能提升效率

如果只是偶尔把非常少量的闲置内存换出去，大部分活跃数据都还在内存里，这时候交换对性能几乎没有影响：那些被换出去的数据本来就是长期不用的，腾出来物理内存给文件做缓存，反而能提升IO性能，这时候交换是正向的。

比如服务器物理内存是16G，实际只用了12G，剩下4G空闲，系统偶尔会把一两个长期闲置的后台进程内存换出去，把这部分内存用来做文件缓存，整体性能反而更好，这就是合理利用交换的场景。

重度交换：频繁换入换出，系统直接卡死

如果物理内存真的严重不足，大量数据都要放到交换区，进程运行的时候需要频繁换入换出，这时候就会出现“交换风暴”：磁盘IO被占满，CPU花大量时间等待IO完成，系统几乎没法正常运行，俗称“卡爆了”。

我们算一下速度：内存的读写速度大概是几十GB每秒，普通机械硬盘的读写速度大概是100MB每秒，差了几百倍;就算是SSD，速度也只有几百MB每秒，比内存还是差几十倍。如果一个进程每访问几次内存就要缺一次页，每次缺页要几毫秒读磁盘，那原本一秒钟能完成的计算，现在要几分钟，系统自然就卡死了。

这就是为什么很多生产环境会建议关闭交换，或者把交换阈值调得很低：就是怕内存不够的时候触发大量交换，直接把系统卡崩，还不如直接触发OOM杀掉一两个进程，保住整个系统可用。

Linux内存交换的关键设计：从swap分区到zram，不同方案的取舍

Linux发展这么多年，内存交换有多种不同的实现方案，不同方案适合不同场景，我们看看常见的几种：

传统方案：独立交换分区(swap partition)

最经典的方案就是在安装系统的时候，分一块独立的磁盘分区作为交换区，内核直接读写这个分区，不需要经过文件系统，速度比交换文件快一点，是服务器和桌面系统最常用的方案。

传统的设计中，一般建议交换分区大小是物理内存的1-2倍，但现在物理内存越来越大，服务器一般配8G或者16G交换就够了，不需要真的配两倍物理内存，配太大也是浪费磁盘空间。

灵活方案：交换文件(swap file)

除了分区，Linux也支持用普通文件作为交换区，就是在已有文件系统里创建一个大文件，把它作为交换空间用。这种方案的好处是灵活，不需要重新分区，想要多大就创建多大，不需要的时候直接删掉就行，适合已经装好系统，想要临时增加交换空间的场景。

交换文件的性能比交换分区略差一点，因为要经过文件系统的地址映射，多了一层开销，但现在SSD速度足够快，这点差距几乎感知不出来，现在很多桌面发行版默认都用交换文件了，更方便管理。

嵌入式/移动场景：压缩交换zram

zram是现在很多移动设备、嵌入式设备常用的交换方案，它不是把交换数据写到磁盘，而是在内存里划出一块区域，把要交换的内存页压缩之后存在这里，相当于用压缩换容量：本来100MB的闲置数据，压缩之后可能只有30MB，这样就能省出70MB的物理内存，整个交换都在内存里，不需要读磁盘，速度比磁盘交换快很多。

zram的缺点是需要CPU做压缩解压，会占用一点CPU资源，但是现在CPU性能足够，用一点CPU换更多可用内存，在移动设备上非常划算，所以现在安卓手机基本都用zram作为交换方案，很多轻量Linux发行版也默认开启zram。

不过zram本质还是用内存做交换，压缩之后虽然省空间，但还是占用物理内存，如果真的内存严重不足，压缩之后也不够用，还是会触发OOM，适合内存不算特别大，但又不想用磁盘交换拖慢速度的场景。

混合方案：zram+swap

现在很多发行版会用混合方案：默认把交换放在zram里，利用压缩省内存，zram满了之后再把不常用的交换页写到磁盘swap，兼顾了速度和容量，适合内存不大的个人电脑，既有不错的速度，又能应对偶尔的内存不足场景。

实际生产中，内存交换的常见问题和优化思路

理解了内存交换的原理，我们就能解决很多实际生产中遇到的问题：

问题一：服务器OOM了，到底要不要开交换?

这个问题其实分场景：

如果是内存足够的服务器，开一点交换没问题，应对突发的内存峰值，比直接OOM杀掉进程好，哪怕卡一会儿也比直接崩溃强;

如果是内存本来就不够，业务对延迟要求很高，那建议关闭交换，或者把swappiness调得很低(比如调到10以下)，让内核尽量不换出，内存不够的时候直接OOM，杀掉一两个进程，比整个系统卡死好;

如果是数据库这种对内存延迟要求极高的服务，建议直接关闭交换，交换带来的延迟波动会严重影响数据库性能，宁愿少跑点业务，也不要让交换拖慢整个服务。

问题二：系统为什么会突然卡顿，怎么看是不是交换导致的?

如果系统突然卡顿，磁盘IO很高，首先可以用free -h看一下：如果used内存占满，swap used已经很高，再用vmstat看si(换入)和so(换出)列，如果这两个值持续大于0，说明正在频繁换入换出，就是交换导致的卡顿。

这时候最好的解决方式就是加物理内存，或者调整业务，关掉一些不用的进程，释放内存，交换只是应急方案，不能解决根本的内存不足问题。

问题三：swappiness参数到底是什么意思，怎么调?

swappiness是Linux内核用来控制交换倾向的参数，范围是0-100，值越大，内核越倾向于换出内存，值越小，越尽量不换出。默认值是60，也就是内存用到一定程度就开始换出。

对于服务器来说，一般建议调到10或者更低，告诉内核尽量只用物理内存，不到万不得已不要换出，避免突发交换导致卡顿;如果是个人电脑，内存不大，可以用默认值60，或者调到30，兼顾容量和性能。

问题四：为什么关掉交换之后，系统反而更流畅了?

很多人都有这个体验：关掉交换之后，系统反而更快了，这是为什么?因为如果你的物理内存足够，根本不需要交换，内核反而会把一些不常用的内存换出去，等到用到的时候再换进来，白白浪费IO，关掉交换之后，所有数据都在内存里，自然更流畅。只有当物理内存真的不够的时候，交换才有用，内存够的时候，交换反而是累赘。

交换设计的本质：容量与性能的取舍

内存交换从诞生到现在，核心的设计逻辑一直没有变：它是一种权衡，用低速的存储换更多的内存容量，牺牲一部分性能换系统的可用性。

早期物理内存非常贵，容量很小，几十MB内存就要几百块，所以交换非常重要，没有交换系统根本跑不了几个程序;现在物理内存越来越便宜，容量越来越大，交换的作用慢慢变弱，很多服务器甚至直接关闭交换，因为性能比多撑一点容量更重要。

不管是传统的磁盘交换，还是现在的zram压缩交换，本质都是权衡：根据你手里的硬件资源，在容量、性能、成本之间找一个平衡点——如果有足够的物理内存，交换就是备用的应急方案，不需要的时候尽量不用;如果硬件资源有限，交换就是扩展容量的好工具，哪怕性能降一点，也比直接不能用好。

结语

内存交换不是什么高深的黑科技，它就是操作系统应对物理内存不足的一个经典解决方案：把不用的数据挪到低速存储，腾出空间给要用的数据，对应用透明，用空间换容量，解决了物理内存不够用的问题。

理解内存交换，我们就能明白很多系统问题的根源：为什么内存占满之后系统会卡死，为什么数据库要关交换，为什么zram适合移动设备，这些问题的答案都在交换的设计逻辑里。而交换背后“权衡利弊，按需取舍”的设计思路，也值得我们学习：没有绝对好的技术，只有适合场景的设计，用对了地方，就能发挥最大的价值。

现在物理内存越来越大，但内存交换依然没有被淘汰，它依然是Linux内存管理的重要部分，在不同场景下发挥着作用，搞懂它的原理，我们就能更好地配置系统，排查问题，让我们的服务运行得更稳定流畅。